Китайские учёные создали биополиэфирный нанокомпозит, который превзошёл пластмассы на нефтяной основе по ключевым показателям
Группа исследователей под руководством профессора Чжу Цзиня из Нинбоского института технологии и инженерии материалов (NIMTE) Китайской академии наук (КАН) синтезировала новый биокомпозитный материал на основе полиэфира, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками и возможностью переработки.
Возобновляемые материалы на биологической основе показывают перспективы в замене традиционных пластмасс, предлагая экологичное решение глобального энергетического кризиса и проблемы загрязнения окружающей среды. В частности, полиэфиры на основе 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA) являются многообещающими кандидатами для создания устойчивых и перерабатываемых упаковочных материалов.
Однако общие свойства этих биополиэфиров пока не соответствуют характеристикам пластмасс на основе нефтехимии, в основном из-за ограничений в молекулярном и микроструктурном дизайне.
Для решения этой проблемы учёные использовали двумерные (2D) нанолисты MXene для инкапсуляции одномерных (1D) углеродных нанотрубок (УНТ), что привело к созданию дендритных гетероструктур MXene@CNT с улучшенной дисперсией и структурной стабильностью. Эта инновационная гетероструктура MXene@CNT выступает в роли катализатора, нуклеатора и усилителя межфазного взаимодействия для полиэфиров.
Путём внедрения дендритной структуры MXene@CNT в матрицу биополибутиленфурандикарбоксилата (PBF) был синтезирован нанокомпозит MXene@CNT/PBF (MCP) с использованием каталитической полимеризации и горячего прессования.
Благодаря многоуровневой структуре рассеивания энергии, нанокомпозит MCP достиг впечатляющих механических свойств, включая прочность около 101 МПа, жёсткость примерно 3,1 ГПа и вязкость порядка 130 МДж/м³.
По сравнению с различными коммерческими биоматериалами и пластмассами, нанокомпозит MCP демонстрирует устойчивость к ультрафиолетовому излучению, растворителям и улучшенные барьерные свойства против O2, CO2 и H2O. Примечательно, что нанокомпозит сохраняет 90% своей прочности после пяти циклов переработки.
Представленная в этом исследовании стратегия интеграции катализа и межфазного упрочнения открывает путь для разработки высокоэффективных полиэфирных материалов. Этот многофункциональный биокомпозит MCP предлагает жизнеспособную экологичную альтернативу пластмассам на нефтяной основе в упаковке и инженерных приложениях, что представляет собой значительный шаг на пути к достижению целей углеродной нейтральности.