تأثير الأعشاب البحرية على السلوك الشدّي والحراري واللزوجي المرن لمركبات قائمة على بوليبوتيلين أدبات تيريفثالات

تحويل الأعشاب البحرية إلى مواد يومية

البلاستيك حاضر في حياتنا المعاصرة، لكن معظم أنواعه يبقى في البيئة لعقود. تستكشف هذه الدراسة مساعدًا غير متوقع من المحيط — أعشاب بحرية حمراء — لتحسين بلاستيك قابل للتحلل وتقريبنا خطوة نحو تغليف ومنتجات مستهلكة أكثر خضرة. من خلال خلط مسحوق الأعشاب البحرية مع بلاستيك قابل للتمدد في الكومبوست، اختبر الباحثون ما إذا كان بالإمكان ضبط الصلابة والمتانة ومقاومة الحرارة بطريقة تصلح للاستخدامات الواقعية مثل تغليف الطعام والمنتجات الصيدلانية.

من نباتات المحيط إلى حبيبات البلاستيك

ركز الباحثون على بلاستيك قابل للتحلل ومرن يدعى PBAT، مستخدم تجاريًا لكنه محدود بقوته ومقاومته للحرارة المعتدلتين. جمعوه مع جزيئات مطحونة ناعمة من العشبة الحمراء Kappaphycus alvarezii، وهي نوع مزروع على نطاق واسع ومعروف كمصدر لمكثف الكاراجينان في الأغذية. بعد الغسيل والتجفيف والطحن إلى مسحوق بعرض يقارب قطر شعرة الإنسان، خلطوا المسحوق مع PBAT المصهور بنسب وزن مختلفة: 10 و20 و30 و40 بالمئة. ثم حوّلوا المزيج إلى حبيبات وشكلوه بالضغط إلى صفائح مسطحة وقطع اختبار قياسية، مكوّنين مجموعة من مركبات الأعشاب البحرية والبلاستيك.

كيف يتحمل المادّة الأحمال

لمعرفة كيفية تغيير هذا الحشو البحري للسلوك الميكانيكي، سحب الفريق العينات في جهاز اختبار الشد. مع زيادة محتوى الأعشاب البحرية، انخفضت مقاومة الشد للمادة — مقدار القوة الشدية التي تتحملها قبل الانكسار — حيث فقدت العينات ذات أعلى محتوى تقريبًا نصف قوة PBAT النقي. ويعزى ذلك على الأرجح إلى فجوات دقيقة ونقاط ضعف حيث تقطع جزيئات الأعشاب البحرية الصلبة شبكة البلاستيك الملساء. في الوقت نفسه، أصبحت المادة أكثر صلابة بشكل ملحوظ: قفز معامل الشد، وهو مقياس لمقاومة المادة للاطالة، بشكل حاد وتضاعف أكثر من ثلاث مرات عند 40 بالمئة من الأعشاب البحرية. بعبارة أخرى، تطورت المركبات من بلاستيك ناعم ومرن إلى مادة أكثر تماسكًا تشبه اللوح مع ازدياد تركيز الأعشاب البحرية.

كيف تتفاعل مع الحرارة والحركة

إلى جانب اختبارات الشد البسيطة، فحص الفريق كيف تتصرف المركبات تحت تشوهات صغيرة ومتكررة وارتفاع في درجة الحرارة — ظروف أقرب للاستخدام الحقيقي. أظهرت تحليل الميكانيكا الديناميكية أن إضافة الأعشاب البحرية رفعت عمومًا معامل التخزين، مما يدل على صلابة أكبر عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، لا سيما حول تحميل 20 بالمئة حيث برزت الصلابة عند درجات حرارة أعلى. تغيرت كذلك الاستجابة اللزجة ونسبة تفريق الطاقة (المسارتان بمعامل الفقد ومعامل التخميد المعروف tan delta): قيّدت جزيئات الأعشاب البحرية حركة سلاسل PBAT، فخفضت قمة التخميد دون أن تغير كثيرًا درجة تحول الزجاج. قدمت التحاليل الحرارية مزيدًا من التفاصيل. أظهرت قياسات التحلل الحراري أن PBAT النقي يتحلل في خطوة واحدة عند درجات حرارة عالية، بينما تتحلل المركبات على مرحلتين — أولًا الأعشاب البحرية، ثم البلاستيك. الاستقرار الحراري العام للخليط معتدل، واقفًا بين استقرار المكونات الفردية، لكن المخلفات عند درجات حرارة عالية تزداد مع محتوى الأعشاب البحرية بسبب الفحم الغني بالمعادن.

ما تكشفه الميكروسكوبات

ساعدت صور الميكروسكوب لأسطح الكسور على ربط الأداء بالبنية. أظهر PBAT النقي وجهًا أملسًا ومتماثلًا. بعد إضافة الأعشاب البحرية، كشفت الصور عن أعداد متزايدة من الجزيئات المدمجة وفجوات مرئية مع ارتفاع التحميل. عند المحتويات الأقل كانت الجزيئات متناثرة بشكل جيد إلى حد ما، لكن عند المستويات الأعلى ظهرت تجمعات وعيوب، موفّرة مسارات سهلة لبدء وتفشي الشقوق — وهذا يتوافق مع انخفاض القوة. في الوقت نفسه، يشرح وجود هذه الإدخالات الصلبة سبب ارتفاع المعامل والصلابة عند درجات حرارة عالية: تعمل الجزيئات كحصى مكدسة صغيرة في مونة لينة، تقاوم الانحناء حتى وإن أدت إلى نقاط ضعف تحت الأحمال الشديدة.

لماذا يهم هذا للبلاستيكات الأكثر خضرة

للقارئ العام، الرسالة الأساسية أن الأعشاب البحرية قادرة على أكثر من تكثيف الصلصات؛ فهي يمكن أن تساعد في هندسة بلاستيكات قابلة للتحلل بخصائص مصممة. في هذا العمل، أنتج خلط مسحوق الأعشاب البحرية الحمراء مع PBAT مركبات أكثر صلابة وقابلة لضبط حراريًا، وإن كانت أقل قوة إلى حد ما مقارنة بالبلاستيك الأصلي. قد تكون هذه المواد المحشوة بالأعشاب البحرية مناسبة لتغليف صديق للبيئة أو عناصر استهلاكية حيث تهم الصلابة والقابلية للتحلل أكثر من أقصى قوة. تُظهر النتائج أيضًا أن الأداء يعتمد بشدة على كمية الأعشاب البحرية المضافة ومدى تشتتها، ما يشير إلى سبل لتحسين المعالجة والتركيبة مستقبلًا. عموماً، توضح الدراسة مسارًا واعدًا لإعادة تدوير الكتلة الحيوية البحرية إلى مواد عملية وأكثر استدامة.

الاستشهاد: Hamdan, M.H., Sarmin, S.N., Karim, Z. et al. Impact of seaweeds on tensile, thermal and viscoelasticity behavior of polybutylene adipate terephthalate-based composites. Sci Rep 16, 7985 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38634-0

الكلمات المفتاحية: البلاستيكات القابلة للتحلل, مركبات الأعشاب البحرية, تغليف صديق للبيئة, مواد PBAT, المواد الخضراء