Влияние водорослей на прочностные, термические и вискоупругие свойства композитов на основе поли(бутилен-адипат-терефталата)

Превращение водорослей в повседневные материалы

Пластик повсюду в современной жизни, но большая его часть сохраняется в окружающей среде десятилетиями. В этом исследовании изучается неожиданный помощник из океана — красные водоросли — для улучшения биоразлагаемого пластика и приближения нас к более экологичной упаковке и одноразовым изделиям. Смешивая измельчённые водоросли с распространённым компостируемым пластиком, исследователи проверяли, можно ли изменить прочность, жёсткость и термостойкость так, чтобы материал был пригоден для практического применения, например, в пищевой или фармацевтической упаковке.

От морских растений к пластиковым гранулам

Исследователи сосредоточились на гибком биоразлагаемом пластике PBAT, который уже используется в коммерции, но ограничен умеренной прочностью и термостойкостью. Они комбинировали его с тонко измельчёнными частицами красной водоросли Kappaphycus alvarezii, широко культивируемого вида, известного как источник загустителя каррагинана в продуктах питания. После промывки, сушки и помола водоросли в порошок примерно толщиной с человеческий волос, порошок вводили в расплавленный PBAT при разных нагрузках: 10, 20, 30 и 40 процентов по массе. Смесь затем гранулировали и формовали методом пресс-формования в плоские листы и стандартные образцы для испытаний, получив ряд композитов «водоросль–пластик».

Как новый материал воспринимает нагрузку

Чтобы понять, как наполнитель из океана меняет механические свойства, образцы растягивали в испытательной машине на разрыв. По мере увеличения доли водорослей прочность на разрыв — насколько большую растягивающую силу материал выдерживает до разрушения — снижалась: при наибольшем содержании водорослей она уменьшалась примерно вдвое по сравнению с чистым PBAT. Вероятная причина — микрозазоры и дефектные участки, где жёсткие частицы водорослей нарушают сплошную пластмассовую матрицу. Одновременно материал заметно становился жёстче: модуль упругости на растяжение, показатель сопротивления растяжению, резко возрастал и при 40 % содержания водорослей превышал исходный более чем в три раза. Иными словами, композит превращался из мягкого, эластичного пластика в более твёрдый, близкий к плитному материал по мере увеличения загрузки водорослями.

Как он реагирует на тепло и деформации

Кроме простых испытаний на разрыв, команда исследовала поведение композитов при малых повторяющихся деформациях и при повышении температуры — условиях, близких к реальной эксплуатации. Динамический механический анализ показал, что добавление водорослей в целом повышает модуль хранения, указывая на большую жёсткость в широком диапазоне температур, особенно заметную при ~20 % загрузке, когда жёсткость при более высоких температурах выделялась. Вязкая составляющая и диссипация энергии (отслеживаемые по модулю потерь и демпфирующему фактору tan delta) тоже изменялись: частицы водорослей ограничивали свободу движения цепей PBAT, снижая пик демпфирования, но существенно не смещая температуру стеклования. Термический анализ даёт дополнительные детали. Термогравиметрические измерения показали, что чистый PBAT разлагается одномоментно при высокой температуре, тогда как композиты распадаются в двух этапах — сначала водоросли, затем пластик. Общая термическая устойчивость смесей умеренная и находится между характеристиками отдельных компонентов, но остатки при высокой температуре увеличиваются с содержанием водорослей из‑за минерализованного углеродистого шлака.

Что показывают микроскопы

Микроскопические изображения изломов помогли связать свойства с микроструктурой. Чистый PBAT демонстрировал гладкую однородную поверхность. После добавления водорослей изображения показывали растущее количество включённых частиц и видимых пустот по мере увеличения загрузки. При низком содержании частицы были достаточно равномерно распределены, но при больших долях возникали скопления и дефекты, которые служат лёгкими путями для зарождения и распространения трещин — это согласуется со снижением прочности. Одновременно само наличие этих жёстких включений объясняет рост модуля и жёсткости при высоких температурах: частицы действуют как мелкие армирующие камешки в мягком растворе, сопротивляясь изгибу, хотя и создают слабые места при больших нагрузках.

Почему это важно для более экологичных пластиков

Для неспециалиста ключевая мысль такова: водоросли могут быть не только загустителем для соусов — они способны помочь спроектировать биоразлагаемые пластики с заданными свойствами. В этой работе добавление порошковой красной водоросли в PBAT привело к композитам, которые стали жёстче и более управляемыми по термическим характеристикам, хотя и несколько менее прочными по сравнению с исходным пластиком. Такие материалы на основе водорослей могут подойти для экологичной упаковки или одноразовых изделий, где важнее жёсткость и биоразлагаемость, а не максимальная прочность. Результаты также показывают, что свойства сильно зависят от доли водорослей и качества их дисперсии, что указывает путь к дальнейшему совершенствованию обработки и рецептур. В целом исследование демонстрирует перспективный путь переработки морской биомассы в практичные, более устойчивые материалы.

Цитирование: 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

Ключевые слова: биоразлагаемые пластики, композиты с водорослями, экологичная упаковка, материалы PBAT, зелёные материалы