«Открытие мирового уровня»: химики из Коми создали новый материал для изготовления углеродных нитей

Ученые нашли способ использовать лигнин, выделяемый при варке целлюлозы. В перспективе он сможет стать новой основой для производства углеродных нитей, которые сегодня активно применяются в автомобилестроении, медицине и строительстве.

Как рассказал БНК заведующий лабораторией физико-химических методов исследования Института химии Коми научного центра УрО РАН Владимир Белый, разработки начались в 2023 году. Сначала это был студенческий проект второкурсника в СЛИ Ивана Кармадонова. Он вместе с ученым из института решил искать полезное применение для лигнина.

Этот природный полимер содержится в растениях, а именно в клеточных стенках. Он придает организмам прочность и жесткость, выступает в качестве своеобразного клея между волокнами целлюлозы. Кроме того, лигнин борется с патогенами в организме, имеет антиоксидантную функцию и просто придает цвет древесине.

Лигнин выделяется при варке целлюлозы и остается в черном щелоке. Но этот щелочной раствор на предприятиях, как правило, сжигают.

Ученые института химии, чтобы выделить лигнин, постепенно добавляли в черный щелок кислоту. Так раствор становился нейтральным, и в такой среде полимер выпадал в виде осадка.

В итоге специалисты получали сульфатный лигнин в виде порошка. Чтобы что-то изготовить из этого полимера, необходимо его расплавить при 180 градусах. Но тут появлялась проблема: при плавлении его молекулы «сшивались», из-за чего порошок превращался в материал, похожий на затвердевшую эпоксидную смолу. Дальше расплавить его и что-то из него изготовить невозможно.

Чтобы избежать такого исхода, можно подмешивать в лигнин синтетические пластификаторы, например, такие, которые блокируют «сшивку» молекул и придают материалу пластичность. Но они могут улетучиваться, вымываться и становиться токсичными для человека. Поэтому ученые отказались от искусственных «ингредиентов».

Они разделили лигнин на две части, и одну направили на пиролиз. Это процесс разложения при большом нагреве без кислорода, с ним бы началось уже горение.

В печи трубку с лигнином продували при помощи азота. Появлялся сначала пар, который при контакте с более холодной частью трубки становился густой темной жидкостью и оседал на стенках. Продукты пиролиза попадали в маленькую баночку, где растворялись в хлороформе.

Дальше темный раствор хлороформа отправляли в ротационный испаритель. Емкость погружали в горячую воду, из-за чего содержимое нагревалось. Хлороформ, органический растворитель, удалялся в виде паров. Весь процесс занимает около 40 минут.

Оставшееся в емкости вещество — это пластификатор для лигнина, который идеально подходит для работы с самим полимером. Благодаря этому он не будет постепенно исчезать из материала.

Полученный пластификатор перемешивают с лигнином и получают более плотную массу, которую можно плавить. Добавленное вещество снижает температуру плавления лигнина до 120 градусов, когда молекулы еще не «сшиваются».

В этом и состоит прорывная разработка ученых. Она открывает для мира новый органический материал, который теперь возможно использовать для создания полимерных, а после — углеродных нитей.

Для создания лигниновых нитей ученые собрали собственную установку. Смесь лигнина с пластификатором добавляется в стеклянный шприц, который нагревается до заданной температуры. После чего содержимое автоматически выдавливается. При появлении на конце шприца тянущийся материал «прилепляют» к крутящемуся колесу, и тем самым создаются нити.

В таком состоянии они крайне хрупкие. Но с помощью термических процедур из них предположительно можно сделать углеродные нити. Этим как раз и собираются заняться ученые в будущем. Результаты появятся предварительно в 2026 году.

По словам ученых, они будут уступать по прочности нитям из того же полиакрилонитрила (ПАН), синтетического вещества, в основе которого — нефтепродукты. Но в то же время производство лигниновых нитей дешевле примерно в 150 раз; расчеты пока относятся к лабораторному процессу. Кроме того, при термообработке полимерных нитей из ПАНа образуются токсичные продукты разложения. Лигниновые нити будут производить из возобновляемых ресурсов.

Из углеродных нитей можно, например, делать электроды в аккумуляторах нового поколения. Из переплетенных волокон изготавливают карбоновые материалы, или углепластик, которые пригождаются в том же автомобилестроении. Находят нити применение и в медицине, и в строительстве.

При этом разработку ученых — создание пластификатора из лигнина для создания полимерных нитей — уже оценили на международном уровне. Открытие отметили на шестом Всемирном изобретательском форуме на Кипре, и специалистам республики вручили золотую медаль Международной федерации ассоциаций изобретателей (IFIA).

— Это признание наших заслуг в этой области. Мы видим, что наша работа по оптимизации создания экологичных материалов востребована, причем на мировом уровне, — резюмировал Владимир Белый.

Алексей Баталов