Биополимерный лигнин является побочным продуктом производства бумаги и перспективным сырьем для производства устойчивых полимерных материалов.
Качество этого продукта естественного происхождения не такое однородное, как у пластмасс на нефтяной основе. Рентгеноструктурный анализ, проведенный в DESY, впервые показывает, как внутренняя молекулярная структура различных продуктов лигнина связана с макроскопическими свойствами соответствующих материалов. Исследование, которое было опубликовано в журнале ACS Applied Polymer Materials, предоставляет систематический подход к лигнину, как к сырью, позволяющему производить биопластики на основе лигнина с различными свойствами, в зависимости от конкретного применения.
Деревянная пластмасса
Лигнин - это класс сложных органических полимеров, который отвечает за стабильность растений, придает им жесткость и делает их «древесными» (т.е. лигнификация). Во время производства бумаги лигнин отделяется от целлюлозы. Лигнин образует так называемые ароматические соединения, которые также играют ключевую роль в производстве синтетических полимеров или пластмасс. «Лигнин является крупнейшим источником ароматических соединений природного происхождения, но до сих пор бумажная промышленность рассматривала его главным образом как побочный продукт или топливо», - объясняет Матс Йоханссон из Королевского технологического института (KTH) в Стокгольме, который руководил исследовательской группой. «Миллионы тонн этого продукта производятся каждый год, обеспечивая постоянный поток сырья для новых потенциальных продуктов».
Некоторые применения твердых пластмасс на основе лигнина (термореактивные материалы) уже существуют. Однако их свойства часто меняются, и до сих пор им было сложно конкретно их контролировать. Шведская команда в настоящее время пролила свет на наноструктуру различных фракций коммерчески доступного лигнина на рентгеновском источнике DESY PETRA III. «Оказывается, есть фракции лигнина с большими и меньшими доменами», - сообщает главный автор из Стокгольма KTH Маркус Джаверт. «Это может дать определенные преимущества в зависимости от конкретного применения: оно делает лигнин более твердым или мягким, изменяя так называемую температуру стеклования, при которой биополимер принимает вязкое состояние».
Помимо прочего, рентгеноструктурный анализ показал, что те типы лигнина, центральные бензольные кольца которых расположены в форме буквы T, являются особенно стабильными. «Молекулярная структура влияет на макроскопические механические свойства», - объясняет Стефан Рот из DESY, отвечающий за линию луча P03, на которой проводились эксперименты, и соавтор статьи. «Это первый раз, когда это было охарактеризовано». Как натуральный продукт, лигнин выпускается в различных конфигурациях. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы обеспечить систематический обзор того, как различные параметры влияют на свойства лигнина. «Это очень важно для того, чтобы иметь возможность воспроизводить материалы и, в частности, прогнозировать их свойства», - говорит Рот, который также является профессором в KTH».
По словам Джаверта, до двух третей лигнина, производимого в процессе производства бумаги, можно превратить в сложные полиэфиры, служащие исходным материалом для изготовления пластмасс. «Наряду с целлюлозой и хитином, лигнин является одним из наиболее распространенных органических соединений на Земле и обладает огромным потенциалом для замены пластиков на основе нефти», - говорит ученый. «Он слишком ценный, чтобы просто сжечь его».