Các nhà nghiên cứu tại Đại học Oulu, Phần Lan đang làm thay đổi cán cân theo hướng có lợi cho gỗ ít nhất là trong một số ứng dụng nhất định. Họ đã phát minh ra các chất thay thế có nguồn gốc từ gỗ cho hai loại nhựa được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp: polyester và epoxy.

Vật liệu composite hiệu năng cao là không thể thiếu trong các ngành hàng hải, năng lượng tái tạo, thể thao, vận tải và xây dựng, nơi độ bền và hiệu suất của vật liệu là yếu tố then chốt. Nhựa polyester có mặt ở khắp mọi nơi, tạo thành chất nền trong các vật liệu composite sợi thủy tinh được sử dụng trong mọi thứ, từ thân tàu và tấm thân xe ô tô đến tấm lợp mái và thiết bị vệ sinh. Trong khi đó, nhựa epoxy đóng vai trò là chất kết dính cấu trúc và lớp phủ bảo vệ, đồng thời là chất nền chính trong các thành phần sợi carbon dùng cho cánh quạt tuabin gió, cấu trúc máy bay, dụng cụ thể thao cao cấp và cốt thép trong kỹ thuật dân dụng.

Tuy nhiên, những vật liệu này lại đi kèm với những thách thức đáng kể về tính bền vững. Cả nhựa polyester và epoxy đều chủ yếu được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch, khiến quá trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng và thải ra nhiều carbon. Các vật liệu composite mà chúng tạo thành cũng rất khó tái chế. Nhựa sau khi đóng rắn tạo thành các mạng lưới liên kết chéo chặt chẽ, không thể đơn giản là nấu chảy. Thêm vào đó, việc tách chúng khỏi các sợi thủy tinh hoặc sợi carbon được nhúng bên trong giống như lấy kẹo từ rồng. Tái chế là khả thi, nhưng thường liên quan đến các quy trình chuyên biệt, tốn kém mà chỉ một số cơ sở có thể xử lý ở quy mô lớn.

Trong nỗ lực giải quyết vấn đề nan giải giữa hiệu suất và tính bền vững, các nhà nghiên cứu đã phát triển các loại nhựa sinh học không chỉ đáp ứng được các mối quan ngại về tính bền vững mà còn mang lại hiệu suất cao.

Sự kỳ diệu khoa học đằng sau những vật liệu này như sau: Nhựa epoxy thông thường, được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu composite hiệu suất cao, được làm từ diglycidyl ether của bisphenol A (DGEBA), một loại nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong các vật liệu mới, các nhà nghiên cứu thay thế khung xương có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch này bằng các diepoxide có nguồn gốc từ furfural được sản xuất từ ​​chất thải nông nghiệp và gỗ, do đó tạo ra một hệ thống epoxy có nguồn gốc thực vật có thể được đóng rắn. Các nhà nghiên cứu đã sản xuất khối cấu tạo thiết yếu, furfural, từ sinh khối lignocellulose.

Kết quả thu được là các loại nhựa không chỉ bền vững mà còn vượt trội hơn so với các loại nhựa có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch! Trong quá trình thử nghiệm, các vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh với một biến thể của nhựa có nguồn gốc thực vật đã thể hiện độ bền được cải thiện và độ bền kéo, độ bền uốn cao hơn đáng kể so với nhựa DGEBA. Những kết quả này là một thắng lợi lớn cho các giải pháp composite thay thế bền vững.

Được sản xuất từ ​​các phụ phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp bền vững như mùn cưa và rơm, các loại nhựa này giải quyết một phần đáng kể thách thức về tính bền vững. Nhưng đó chưa phải là tất cả về khía cạnh bền vững. Do cấu trúc hóa học có thể phân hủy của diepoxy gốc furfural, các vật liệu composite này có thể bị phân hủy hóa học và các thành phần được chiết xuất làm nguyên liệu thô.

Lần đầu tiên, có các loại nhựa sinh học hiệu suất cao có thể tái chế hóa học, tạo ra một hệ thống sản xuất khép kín cho vật liệu composite. Có thể có các loại epoxy sinh học khác, nhưng đây là sự kết hợp đầu tiên được báo cáo đạt được hiệu suất cơ học cao và khả năng tái chế hóa học trong các vật liệu composite này.

Một lợi ích đáng kể khác của nhựa furan sinh khối là tiềm năng thương mại của chúng. Quy trình sản xuất các vật liệu mới này tương thích với các dây chuyền sản xuất hóa chất hiện có, loại bỏ nhu cầu phải cải tạo nhà máy để áp dụng công nghệ mới.

Bằng cách tận dụng các sản phẩm phụ của một ngành công nghiệp hiện có, nghiên cứu này cũng mở ra cánh cửa cho các chuỗi giá trị mới trong nền kinh tế sinh học.

Theo thông cáo báo chí, việc sử dụng vật liệu sinh học cũng có tầm quan trọng chiến lược đối với châu Âu, nơi chỉ sở hữu chưa đến 2% trữ lượng dầu mỏ toàn cầu. Điều này không chỉ hỗ trợ sự tự túc về vật liệu mà còn phù hợp với các mục tiêu phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn của EU.

Vậy, bước tiếp theo của nghiên cứu đầy hứa hẹn này là gì? Hiện tại, nó vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và kiểm chứng. Mặc dù có tiềm năng rất lớn, nhưng có lẽ sẽ mất một thời gian nữa trước khi chúng ta thấy những chiếc du thuyền và tua bin được làm từ vật liệu composite tái tạo và có thể tái chế. Nhóm nghiên cứu đã được cấp ba bằng sáng chế cho công trình của mình và hiện đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp để tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ.

Bài báo trình bày toàn diện kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Composites Part B: Engineering.