Wpływ wodorostów na wytrzymałość na rozciąganie, właściwości termiczne i lepko-sprężyste kompozytów opartych na polibutylenie adipinianie tereftalowym

Przekształcanie wodorostów w codzienne materiały

Plastik jest wszechobecny we współczesnym życiu, ale większość z niego zalega w środowisku przez dziesięciolecia. W badaniu tym zbadano nieoczekiwanego pomocnika z oceanu — czerwone wodorosty — w celu ulepszenia biodegradowalnego plastiku i zbliżenia nas do bardziej ekologicznych opakowań i jednorazowych produktów. Przez zmieszanie sproszkowanych wodorostów z powszechnym kompostowalnym plastikiem, naukowcy sprawdzili, czy można dostroić wytrzymałość, sztywność i odporność na temperaturę w sposób użyteczny w rzeczywistych zastosowaniach, takich jak opakowania żywności czy artykuły farmaceutyczne.

Od roślin morskich do peletek plastiku

Naukowcy skupili się na elastycznym biodegradowalnym tworzywie o nazwie PBAT, już stosowanym komercyjnie, ale ograniczonym przez umiarkowaną wytrzymałość i odporność na wysoką temperaturę. Połączyli je z drobno zmielonymi cząstkami czerwonych wodorostów Kappaphycus alvarezii, gatunku szeroko uprawianego, znanego przede wszystkim jako źródło zagęstnika karrageenu stosowanego w żywności. Po umyciu, wysuszeniu i zmieleniu wodorostów na proszek o grubości zbliżonej do szerokości ludzkiego włosa, wmieszali go do roztopionego PBAT w różnych zawartościach: 10, 20, 30 i 40 procent masowych. Mieszankę spęczkowano, a następnie formowano metodą prasowania do płaskich arkuszy i standaryzowanych próbek do badań, tworząc rodzinę kompozytów wodorostowo‑plastikowych.

Jak nowy materiał przenosi obciążenie

Aby sprawdzić, jak ten wypełniacz z oceanu zmienia zachowanie mechaniczne, zespół rozrywał próbki w maszynie do badań rozciągania. Wraz ze zwiększaniem udziału wodorostów, wytrzymałość na rozciąganie materiału — czyli maksymalna siła rozciągająca przed pęknięciem — malała, przy czym przy najwyższej zawartości wodorostów wytrzymałość spadła mniej więcej o połowę w porównaniu z czystym PBAT. Najprawdopodobniej wynika to z mikroszczelin i słabych miejsc, gdzie sztywne cząstki wodorostów przerywają jednolitą sieć tworzywa. Jednocześnie materiał stał się zauważalnie bardziej sztywny: moduł sprężystości na rozciąganie, miernik oporu przed odkształceniem, gwałtownie wzrósł i był ponad trzykrotnie większy przy 40 procentach wodorostów. Innymi słowy, kompozyt ewoluował z miękkiego, rozciągliwego plastiku w kierunku twardszego, bardziej deskopodobnego materiału wraz ze wzrostem udziału wodorostów.

Jak reaguje na ciepło i ruch

Ponadto zespół badał zachowanie kompozytów przy małych, powtarzalnych odkształceniach i rosnącej temperaturze — warunkach bliższych rzeczywistemu użytkowaniu. Analiza dynamicznych własności mechanicznych wykazała, że dodatek wodorostów ogólnie podnosi moduł magazynujący, co wskazuje na większą sztywność w szerokim zakresie temperatur, szczególnie przy 20‑procentowym udziale, gdzie sztywność w wyższych temperaturach była wyraźna. Reakcja lepka i rozpraszanie energii (mierzone modułem strat i czynnikiem tłumienia zwanym tan delta) również uległy zmianie: cząstki wodorostów ograniczały swobodę ruchu łańcuchów PBAT, obniżając szczyt tłumienia, ale nie przesuwając znacząco temperatury przejścia szklanego. Analiza termiczna dostarczyła więcej niuansów. Pomiary termograwimetryczne wykazały, że czysty PBAT rozpada się w jednym etapie w wysokiej temperaturze, podczas gdy kompozyty ulegają rozkładowi w dwóch etapach — najpierw wodorosty, potem tworzywo. Ogólna stabilność termiczna mieszanek jest umiarkowana, plasując się pomiędzy stabilnością składników osobno, ale pozostałości w wysokiej temperaturze rosną wraz z udziałem wodorostów z powodu bogatego w minerały węgla pozostałościowego.

Co ujawniają mikroskopy

Obrazy mikroskopowe powierzchni po złamaniu pomogły powiązać właściwości z mikrostrukturą. Czysty PBAT wykazywał gładką, jednorodną powierzchnię. Po dodaniu wodorostów obrazy ujawniły rosnącą liczbę zatopionych cząstek i widocznych pustek wraz ze wzrostem zawartości. Przy niższych udziałach cząstki były stosunkowo dobrze rozproszone, ale przy wyższych poziomach pojawiały się skupiska i defekty, tworzące łatwe drogi inicjacji i rozprzestrzeniania pęknięć — zgodne ze spadkiem wytrzymałości. Jednocześnie samo występowanie tych sztywnych inkluzji pomaga wyjaśnić wzrost modułu i sztywności w wysokiej temperaturze: cząstki działają jak drobne wzmacniające kamyki w miękkim zaprawie, opierając się zginaniu, jednocześnie wprowadzając słabe punkty przy dużych obciążeniach.

Dlaczego to ma znaczenie dla bardziej zielonych tworzyw

Dla czytelnika ogólnego kluczową wiadomością jest to, że wodorosty mogą robić więcej niż tylko zagęszczać sosy; mogą pomóc w projektowaniu biodegradowalnych tworzyw o określonych właściwościach. W tej pracy zmieszanie sproszkowanych czerwonych wodorostów z PBAT dało kompozyty, które są bardziej sztywne i termicznie regulowalne, choć nieco mniej wytrzymałe niż pierwotne tworzywo. Takie materiały wypełnione wodorostami mogłyby nadawać się do ekologicznych opakowań lub jednorazowych przedmiotów, gdzie istotniejsza jest sztywność i biodegradowalność niż maksymalna wytrzymałość. Wyniki pokazują również, że właściwości zależą mocno od ilości dodanych wodorostów i jakości ich dyspersji, co wskazuje kierunki dalszych ulepszeń w przetwarzaniu i formułowaniu. Ogólnie rzecz biorąc, badanie demonstruje obiecującą drogę do upcyklingu biomasy morskiej w praktyczne, bardziej zrównoważone materiały.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: biodegradowalne tworzywa sztuczne, kompozyty z wodorostów, przyjazne dla środowiska opakowania, materiały PBAT, zielone materiały