Материаловеды из США разработали метод получения прочного волокна из бамбука. Ученые смогли отделить целлюлозные волокна от лигнина и других полимеров, содержащихся в стеблях растения. В результате получилось волокно, превосходящее по прочности некоторые синтетические аналоги.

Исследование опубликовано в Nature Sustainability.

Синтетические волокна (например, на основе полиэфиров и полиамидов) часто используют в приготовлении конструкционных материалов, однако большинство таких волокон не разлагается в природных условиях, а их производство очень дорогостоящее. Поэтому ученые ищут натуральные растительные волокна, которыми можно было бы заменить синтетические аналоги.

Много внимания материаловеды уделяют получению целлюлозных волокон из дерева. Но сделать действительно прочный материал из целлюлозы сложно — из-за очень пористой структуры древесины волокна получаются с низким пределом прочности и небольшим модулем Юнга. Волокна из бамбука обладают большей прочностью, и ученые ищут способы дополнительно улучшить их механические характеристики.

Материаловеды из Мэрилендского университета в Колледж-Парке под руководством Ху Лянбина (Hu Liangbing) придумали новый метод выделения целлюлозного волокна из бамбука. Они предположили, что нити будут более прочными, если отделить их от неплотной паренхимы и других полимеров, содержащихся в стеблях растения: лигнина и гемицеллюлоз.

Чтобы выделить волокна из бамбука, химики попробовали вымочить его стебли в растворе пероксомуравьиной кислоты в течение 12 часов при 50 градусах Цельсия. К их удивлению, отдельные целлюлозные нити можно было заметить уже через пару часов. А через 12 часов получились длинные белые волокна, которые ученые промыли щелочным раствором и водой, а затем высушили на воздухе.

Вымачивание стебля бамбука в пероксомуравьиной кислоте / Hu et al. / Nature Sustainability, 2021

Твердотельная ЯМР-спектроскопия полученных нитей показала, что почти все лишние полимеры вымылись, а целлюлоза сохранила свою молекулярную структуру. Кроме того, ученые выяснили, что в результате сушки объем волокон уменьшился на ~12 процентов за счет образования большого количества водородных и Ван-дер-Ваальсовых связей между целлюлозными цепочками.

Микрофотографии стержня бамбука до обработки (1), после обработки (2) и приближенная фотография целлюлозных нитей (3) / Hu et al. / Nature Sustainability, 2021

Чтобы узнать, можно ли применять их волокна для получения конструкционных материалов, химики принялись за измерение их механических характеристик. Модуль Юнга волокон составил около 91,3 гектапаскалей, а предел прочности — 1,9 гектапаскалей. Эти показатели оказались примерно в 6 раз больше, чем для волокон, полученных механическим перетиранием бамбуковых стеблей.

Далее материаловеды сплели небольшой тканевый коврик из 1000 целлюлозных нитей и пропитали его эпоксидной смолой. Полученный композит обладал пределом прочности около 350 мегапаскалей, что ставит его на один уровень по прочности с пропитанным эпоксидной смолой углеволокном. В результате авторы показали, что для получения прочных нитей необходимо выделять чистые от лигнина волокна, а новый материал превзошел многие другие композиты по механическим характеристикам.

Сплетенные целлюлозные волокна / Hu et al. / Nature Sustainability, 2021

Волокна, скрелпенные эпоксидной смолой и график сравнения материалов на основе разных волокон / Hu et al. / Nature Sustainability, 2021

Несмотря на то, что ученые предложили очень удобный и эффективный метод выделения целлюлозных волокон из бамбука, его и ранее использовали для получения прочных материалов. Например, рассказывали, как композиты на основе бамбуковых нитей планировали применять в авиации.