Хартиените торбички често се представят като по-екологична алтернатива на пластмасата, тъй като хартията е естествен материал и подлежи на рециклиране. Но в шевовете се крие една „лепкава“ тайна: повечето хартиени опаковки се сглобяват с помощта на синтетични лепила и адхезиви, които не са особено екологични. Докато самата хартия може да се разгради и да се превърне в нова кутия, тези адхезиви действат като замърсители в системата.

В някои случаи те дори принуждават хартията да бъде рециклирана в по-нискокачествени продукти или изцяло изхвърлена. Така че, макар хартията да изглежда като чиста алтернатива на пластмасата, зависимостта ѝ от лепило остава нерешен недостатък.

Сега изследователи в Германия се опитват да премахнат напълно този недостатък – не чрез намиране на по-добро лепило, а чрез изцяло премахването му. Решението им използва лазери, за да превърне хартията в собствено лепило. Изследването е част от проекта PAPURE, който се разработва от редица институти към Обществото „Фраунхофер“ (изследователска организация в Германия). Вместо да добавя нови материали за решаване на проблема, екипът започна с внимателно проучване на състава на хартията и начините за използване на тези съставки.

Хартията не е еднородeн лист – тя е смес от естествени полимери като целулоза, хемицелулоза и лигнин, заедно с пълнители като талк и калциев карбонат. Тези съставки варират значително в зависимост от начина на производство на хартията, а тази вариация се оказва решаваща.

Това е така, защото някои състави могат да образуват силни връзки, когато се обработват правилно, докато други не успяват. Накратко, те определят колко добре хартията може да се свърже с лепилото.

За да разберат това, изследователите анализираха около три дузини вида хартия, използвайки изображения с висока разделителна способност и химически техники. Това им позволи да картографират както структурата, така и химичния състав на всяка проба. Колкото повече правеха това, толкова повече забелязваха една закономерност. Хартиите с прекалено много неорганични пълнители се затрудняваха да образуват здрави уплътнения, докато по-дебелите хартии с балансирана смес от естествени компоненти се представяха по-добре.

„Прекалено голямото съдържание на неорганични съединения като талк и калциев карбонат оказва отрицателно влияние върху адхезивните свойства и якостта на свързване на шевовете. Може да се каже също, че по-дебелите хартии са по-подходящи за запечатване без свързващо вещество“, обяснява Роберт Проц, един от изследователите и учен във „Фраунхофер“.

След като беше намерена подходяща хартия, екипът се обърна към инструмент, който обикновено не бихте свързали с опаковките: лазер с въглероден оксид (CO). Вместо за рязане или гравиране обаче, лазерът се използва по контролиран начин, за да промени химичния състав на повърхността на хартията.

Процесът е бърз и прецизен. Лазерът за кратко нагрява повърхността, разграждайки целулозата, хемицелулозата и лигнина до по-малки молекули. Те не изчезват, а остават на повърхността като това, което изследователите наричат „продукти на разграждане, подлежащи на сплавяване“. Представете си ги като вид вградено лепило, създадено при нужда.

Когато два слоя от тази обработена хартия се притискат един към друг под въздействието на топлина и налягане, тези молекули се разтапят и сплавяват, свързвайки слоевете без никакво външно лепило. Тук запечатващият материал вече не е нещо, добавено към хартията – той е нещо, извлечено от нея.

Една умна идея има значение само ако се оправдае на практика. Затова изследователите подложиха лазерните заварки на тестове за механично натоварване, като ги изтегляха и разтягаха, за да видят къде се пропукват. Резултатите се оказаха по-добри, отколкото бихте очаквали.

Шев с дължина само два сантиметра и ширина три милиметра може да издържи около 20 килограма – приблизително 44 паунда. Това е достатъчно за много приложения в ежедневните опаковки – от контейнери за храна до торбички за пазаруване.

„Вече постигаме добри резултати при тестовете за срязване. Можем лесно да вдигнем 20 килограма с уплътнение, което е само два сантиметра дълго и три милиметра широко“, казва Марек Хауптман, един от изследователите и ръководител на проекта PAPURE.

След това, за да проверят дали това би работило в мащаб, изследователите изградиха пилотна производствена инсталация в Дрезден. Тя е проектирана да имитира реална производствена линия, а не контролиран лабораторен експеримент.

В тази система ролките хартия се движат непрекъснато през лазерен модул, който активира повърхността. След това се добавя втори слой и двата се запечатват чрез топлина и налягане, преди да бъдат нарязани на готови торбички. Системата включва и сензори, които следят качеството на запечатването в реално време и коригират процеса автоматично при необходимост.

Ако този подход проработи в мащаб, той би могъл да реши един от най-малко забележимите проблеми в устойчивите опаковки. Премахването на лепилата би улеснило рециклирането на хартията и би подобрило качеството на рециклираните влакна, приближавайки я до истински кръгов материал.

Пътят напред обаче не е лесен. Процесът зависи силно от точния състав на хартията, който не е стандартизиран в цялата индустрия. Освен това мащабирането на технологията, без да се повишават разходите, ще бъде друго предизвикателство. Изследователите вече работят активно за преодоляване на тези ограничения. Целта им е да достигнат производствена скорост от около десет опаковки на минута до септември 2026 г., като същевременно направят оборудването по-малко и по-лесно за интегриране в съществуващите фабрики.

Снимка: Unsplash/Fraunhofer IVV

Виж още: Първият ИИ бот на Valve изглежда ще следи за спазването на правилата в онлайн игрите и общуването