По мере того как глобальный кризис, вызванный производством и утилизацией одноразового пластика, продолжает усугубляться, исследователи разрабатывают нетоксичную альтернативу пластику на основе конопли — непсихоактивного вида каннабиса.

В исследовании, опубликованном в Chem Circularity, группа ученых и инженеров демонстрирует эластичный термопласт на основе конопли, который может растягиваться до 1600 % от своего исходного размера. Материал обладает высокой «температурой стеклования» — свойством, которое позволяет пластику оставаться сухим и прочным при контакте с кипящей водой.

«Лишь немногие виды пластика, если таковые вообще существуют, изготовленные из природных ресурсов, обладают таким качеством, — говорит автор исследования Грегори Сотцинг из Университета Коннектикута. — Современный поликарбонат производится из бисфенола А, известного вещества, нарушающего работу эндокринной системы. Мы надеемся, что каннабидиол (КБД) сможет заменить бисфенол А, который содержится в современных пластиковых изделиях», — сказал Сотцинг, имея в виду основное химическое соединение, содержащееся в цветках конопли.

Конопляный материал подходит для производства прозрачных пластиковых пленок, покрытий и других распространенных материалов, которые в настоящее время изготавливаются из продуктов переработки нефти, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТ), широко используемый для производства одноразовых бутылок для воды, упаковки для пищевых продуктов и подложек для гибкой электроники.

Для таких применений требуется устойчивость к температурам от средних до высоких и технологичность при плавлении, то есть способность легко плавить, деформировать и придавать форму материалу. Этого команда впервые добилась при работе с поликарбонатом на основе конопли.

"Наша работа показала, что поликарбонаты на основе каннабидиола могут стать экологичной заменой широко используемых термопластов, таких как ПЭТ," — говорит автор исследования Мукеррем Чакмак из Университета Пердью.

"Мы разработали строгую научную концепцию обработки, которая связывает молекулярную структуру с технологичностью расплава, ориентацией и эластичностью без ущерба для технологичности производства."

Для производства ПЭТ требуется большое количество ископаемого топлива, в частности сырой нефти и природного газа. После утилизации ПЭТ распадается на мельчайшие частицы, называемые микропластиком, которые выделяют химические вещества, в том числе ПЭТ, вызывающие воспаление и повреждение клеток, в воду, воздух и пищу.

Несмотря на то, что ученые ищут более экологичные альтернативы ПЭТ, большинство полимеров, получаемых из растительного сырья, не обладают его температурой стеклования и эластичностью, а их производство обходится дороже.

Кроме того, катализаторы, используемые для производства биоразлагаемых пластиков, как правило, требуют высоких температур, что затрудняет их удаление и очистку конечного продукта, что делает их использование в крупномасштабном производстве нецелесообразным.

Чтобы решить эти проблемы, Сотцинг и его коллеги разработали пластиковую пленку на основе конопли и протестировали параметры обработки, которые обеспечивают ей нужную структуру и свойства для широкого применения, а также разработали рекомендации по промышленной обработке этого материала.

«У этого поликарбоната, как у гладкой пленки, очень большой краевой угол смачивания водой», — сказал Сотцинг. «Мы не ожидали, что у нашего поли-КБД-карбоната будет более высокий краевой угол смачивания, чем у большинства полиолефинов», — добавил он, отметив, что материалы с таким свойством можно использовать в качестве наночастиц для доставки лекарств и для покрытия катетеров.

Исследователи изучают продукты, образующиеся при взаимодействии КБД с коммерческим трифосгеном — кристаллическим веществом, которое используется вместе с конопляным волокном для производства этого материала. Команда также работает над созданием версии пластика на основе конопляного волокна с более высокой механической прочностью и над масштабированием производственного процесса.

Согласно исследованию, на сегодняшний день во всем мире производится недостаточно КБД, чтобы полностью заменить полиэтилентерефталат в производстве пластика. Однако конопля становится популярным материалом для изготовления одежды, строительных и пищевых продуктов, поэтому ее производство набирает обороты.

Это растение можно выращивать в самых разных климатических условиях, при этом оно не требует большого количества воды и практически не нуждается в пестицидах. Его можно чередовать с кукурузой, соей и другими продовольственными культурами, что делает его универсальным выбором для фермеров.

«С увеличением посевных площадей стоимость КБД снизится», — говорит Сотцинг.