आधुनिक काळात, जगभरातील उत्पादन क्षेत्रामध्ये सिंथेटिक प्लास्टिक्स निर्विवादपणे अग्रणी ठरली. मजबूती आणि कमी किंमत या आपल्या वैशिष्ट्यांमुळे वस्तूंच्या पॅकेजिंगपासून ते वाहनांच्या भागांपर्यंत सर्व उत्पादनांच्या निर्मितीसाठी प्लास्टिक्स अग्रगण्य पर्याय ठरली. परंतु, प्लास्टिकचे विघटन होण्यास शतकानुशतके लागतात. कचरापट्टींमध्ये (लँडफिल्स), महासागरांमध्ये प्लास्टिकचा घनकचरा साठून राहतो आणि पर्यावरणीय परिसंस्था उद्ध्वस्त करत जातो. फायबरग्लास किंवा कार्बन फायबर यांसारख्या, कृत्रिम तंतूने प्रबलित (रिइन्फोर्स) केलेल्या प्लास्टिकचे पुनर्चक्रण करण्याच्या प्रक्रिया फारच क्लिष्ट आहेत आणि मोठ्या प्रमाणात जीवाश्म इंधनाच्या वापरावर अवलंबून आहेत. त्यामुळे, पर्यावरणीयदृष्ट्या शाश्वत पर्याय शोधण्याची निकड निर्माण झाली आणि संशोधक व अभियंते नैसर्गिक तंतू मिश्रित जैवविघटनशील संमिश्र पदार्थांपर्यंत (बायोडिग्रेडेबल नॅचरल फायबर कॉम्पोझिट्स) पोहोचले. शेतीतील टाकाऊ पदार्थ, वेगाने वाढणारी स्थानिक गवते आणि पुनर्चक्रित म्हणजेच रिसायकल्ड पॉलिमर एकत्र करून, संशोधक असे पदार्थ विकसित करण्याच्या प्रयत्नात आहेत, ज्यांच्या सहाय्याने पारंपरिक प्लास्टिक्सची यांत्रिक मजबूती वाढेल आणि ज्यांचे पर्यावरणीय परिणाम कमीत कमी असतील.
भारतीय तंत्रज्ञान संस्था (आयआयटी) मुंबई येथील प्राध्यापिका अपर्णा सिंग यांनी नैसर्गिक तंतू असलेल्या या संमिश्र पदार्थांचे महत्व स्पष्ट केले. त्या म्हणाल्या, “यांमुळे पदार्थातील जैवविघटनशील घटकाचे प्रमाण वाढते. हे तंतू थर्मोप्लास्टिक्सपेक्षा स्वस्तही असतात. या नैसर्गिक तंतूंचा समावेश केल्याने संमिश्र पदार्थांची मजबूती आणि कणखरपणा लक्षणीयरीत्या वाढतो.”
आयआयटी मुंबई येथील प्रा. सिंग, त्यांचे विद्यार्थी नितीन कुमार आर्य व त्यांचा संशोधक गट पर्यावरणीयदृष्ट्या शाश्वत संमिश्र (सस्टेनेबल कॉम्पोझिट) पदार्थ विकसित करण्याची धुरा सांभाळत आहेत. अलीकडच्या काळातील त्यांचे काही पेटंट पाहिले तर या तंत्रज्ञानाने प्रगतीचा किती मोठा पल्ला गाठला आहे हे लक्षात येते. मुंजा किंवा बर्म्यूडा गवत यांसारख्या जैवविघटनशील घटकांसह दैनंदिन वापरातील प्लास्टिक्सची संयुगे तयार करून त्यांनी अनेक प्रकारचे नवे व पर्यावरणपूरक पदार्थ विकसित केले आहेत. हे पर्यावरणस्नेही संमिश्र पदार्थ अधिक मजबूत, अधिक कणखर, वजनाने हलके, किफायतशीर आणि सहजपणे पुनर्चक्रण करण्यासारखे आहेत. चक्राकार अर्थव्यवस्थेकडे होणाऱ्या संक्रमणाच्या प्रक्रियेतील हा एक महत्वाचा टप्पा आहे.
“बहुतांशी अभ्यास हे व्यावसायिकरित्या वापरल्या जाणाऱ्या नैसर्गिक तंतूंवर केंद्रित आहेत. उदाहरणार्थ, गांजा वनस्पती, अळशी किंवा जवस आणि ताग. परंतु, पॉलिमर वापरून प्रगत संमिश्र पदार्थ तयार करण्यासाठीच्या वापरात, आपल्या देशात मुबलक प्रमाणात मिळणारी स्थानिक गवते फारच दुर्लक्षित राहिली आहेत. या गवतांमध्ये मोठी अभियांत्रिक क्षमता आहे हे आमच्या कामाद्वारे समोर आले आहे,” प्रा. सिंग यांनी सांगितले.
पर्यावरणपूरक संमिश्र पदार्थांच्या क्षेत्रातील नवे शोध बहुतांशी गुंतागुंतीच्या आणि खर्चिक घटकांवर अवलंबून असत. नैसर्गिक तंतू प्लास्टिकला चिकटून राहावेत यासाठी केमिकल कम्पॅटिबिलायझर्स किंवा रासायनिक ‘सुसंगतीकारक’ (एकमेकांत न मिसळणाऱ्या पॉलिमर्सना मिसळण्यासाठी वापरली जाणारी रासायनिक मिश्रके), अपस्करण द्रव्ये आणि कृत्रिम बंधक (बाईंडर) यांचाही मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जात असे. प्रा. सिंह यांच्या संशोधनामुळे या सर्व विषाक्त गुंतागुंतीच्या घटकांपैकी बराच भाग कमी झाला आहे. त्यांच्या संशोधक गटाने प्लास्टिक आणि तंतू एकत्र करण्याच्या पर्यावरणपूरक पद्धती विकसित केल्या असून, त्यासाठी अनेक पेटंटही मिळवले आहेत. त्यांनी स्थानिक पातळीवर मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असलेल्या, सॅकरम मुंजा (Saccharum munja; मुंजा गवत) आणि सायनोडॉन डॅक्टिलॉन (Cynodon dactylon; दूर्वा /बरम्यूडा ग्रास) अशा गवतांचा वापर केला. या गवतांच्या सहाय्याने त्यांनी इपॉक्सी रेझिन, उच्च-घनता असलेले पुनर्चक्रणयोग्य पॉलीइथिलीन (एचडीपीई), पॉलीप्रॉपिलीन (पीपी) आणि पॉलीलॅक्टिक आम्ल (पीएलए) यांसारख्या जैवविघटनशील पॉलिमर्सना अधिक बळकटी दिली. या नव्या पदार्थांची गुणवत्ता पारंपरिक पदार्थांपेक्षा खूपच चांगली आहे.
प्रा. सिंह यांच्या संशोधक गटाने सॅकरम मुंजा गवताचे बारीक चिरलेले तंतू कोणत्याही रासायनिक मिश्रणकारी घटकांचा वापर न करता थेट एचडीपीईच्या वड्यांमध्ये मिसळण्यासाठी एक पद्धत विकसित केली. या संमिश्र पदार्थातील घटक इंजेक्शन मोल्डिंग यंत्रातून ढकलले जाऊन मिश्रित केले जातात व त्यापासून अत्यंत टिकाऊ आणि पर्यावरणपूरक घटक तयार केले जातात. हे घटक पारंपरिक काच-तंतूच्या (ग्लास-फायबर) संमिश्र पदार्थांच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या स्वस्त आणि वजनाने हलके असतात.
आणखी एका रंजक शोधात बर्म्यूडा ग्रास म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या दूर्वा गवताचा उपयोग करण्यात आला आहे. सहसा या गवताला एक झपाट्याने वाढणारे तण मानले जात असले तरीही त्याच्या दाट आणि तंतुमय रचनेमुळे ते एक उत्कृष्ट प्रबलिकरण घटक (रिइन्फोर्समेंट एजंट) ठरते. सोडियम हायड्रॉक्साइडच्या साध्या क्षारीय द्रावणाने दूर्वा गवतावर प्रक्रिया करून त्यावरील नैसर्गिक मेणयुक्त थर आणि अशुद्धी दूर केल्या जातात. त्यामुळे हे तंतू एचडीपीईला घट्टपणे जोडले जातात. परिणामी, तयार होणाऱ्या पदार्थाची ताण सहन करण्याची क्षमता शुद्ध एचडीपीईपेक्षाही बरीच जास्त असते.
“नैसर्गिक तंतूंचे पृष्ठभाग अंगभूतपणे जलस्नेही असतात. तर एचडीपीई जलविरोधी असते. या भिन्नतेमुळे साधारणपणे तंतूंची जाळी एकमेकांना मजबूतपणे चिकटत नाहीत. तसेच ताणाचे हस्तांतरण अपुरे होते आणि पदार्थाच्या यांत्रिक गुणधर्मांचा ऱ्हास होतो. महाग कम्पॅटिबिलायझर रसायनांवर अवलंबून न राहता तंतू एकमेकांना घट्ट चिकटतील हे साध्य करणे आव्हानात्मक होते,” प्रा. सिंग यांनी स्पष्ट केले.
अवजड औद्योगिक गरजांसाठी संशोधकांनी मुंजा तंतू आणि इपॉक्सीचा एक संमिश्र पदार्थ तयार केला असून त्याचे पेटंट मिळवलेले आहे. या नव्या शोधामुळे वितळवून आकार देता येणाऱ्या प्लास्टिकच्या जगताच्या पलीकडे जाण्याची वाट खुली झाली आहे. या नव्या पदार्थाच्या निर्मितीप्रक्रियेमध्ये मुंजा तंतूं विणून त्याचे कापड तयार केले जाते व त्यात थर्मोसेटिंग इपॉक्सी रेझिन भिनवले जाते. यासाठी व्हॅक्युम असिस्टेड मोल्डिंग तंत्र (निर्वात पोकळीच्या सहाय्याने करण्यात येणारे साचेकाम) वापरले जाते. या पद्धतीने तयार होणाऱ्या पदार्थाच्या ताण सहन करण्याच्या क्षमतेत सुमारे ४० टक्क्यांची लक्षवेधी वाढ होऊन तो नेहमीच्या पदार्थांपेक्षा अधिक मजबूत बनतो. यामुळे मुंजा गवत आणि रेझिनपासून तयार झालेला हा पदार्थ आता औद्योगिक वापरात प्रचलित असलेल्या कृत्रिम काच-तंतूंच्या पदार्थांशी (सिंथेटिक ग्लास फायबर) बरोबरी करू शकतो.
संशोधक गटाने त्यांच्या अलीकडील अभ्यासामध्ये थ्रीडी प्रिंटिंगच्या प्रक्रियेतीलही काही प्रश्न सोडवण्याचा प्रयत्न केला. प्लास्टिक जसजसे थंड होते तसतसे आकुंचन पावून वाकत असल्याने शुद्ध एचडीपीईचे त्रिमितीय मुद्रण करणे जिकिरीचे होते.
“एचडीपीईवर फ्यूज्ड डिपॉझिशन मोल्डिंग (एफडीएम) वर आधारित त्रिमितीय मुद्रणाच्या माध्यमातून प्रक्रिया करणे खूपच अवघड आहे. कारण ते जसजसे थंड होते तसतसे आकुंचन पावून वाकत जाते. यामुळे रचनेच्या आकार आणि मापांमध्ये मोठे बदल होतात आणि पदार्थाचे थर एकमेकांना नीट चिकटू शकत नाहीत व तयार झालेली अंतिम रचना अपेक्षित कार्य करण्यात अपयशी ठरते. ही समस्या सोडवणे ही या कामामागील एक महत्वाची प्रेरणा होती,” नितीन कुमार आर्य म्हणाले.
आयआयटी मुंबईच्या संशोधक गटाने ५% ते ४०% मुंजा गवत असलेला एक नवा त्रिमितीय मुद्रण तंतू विकसित केला आहे. या तंतूविषयी अधिक माहिती देताना नितीन कुमार पुढे म्हणाले, “तंतूंचा औष्णिक प्रसरण गुणांक एचडीपीईपेक्षा कमी असतो.” त्यामुळे, तापमान वाढल्यावर प्लास्टिक जेवढे आकुंचन किंवा प्रसरण पावते त्यापेक्षा या तंतूंचे आकुंचन किंवा प्रसरण कमी प्रमाणात होते. हे तंतू एचडीपीईमध्ये मिसळल्यावर ते प्लास्टिकसाठी एक प्रकारची आधाररचना (स्कॅफोल्डिंग) तयार करतात. यामुळे मुद्रणाच्या वेळी प्लास्टिक वाकण्यापासून रोखले जाते व त्याचा आकार टिकून राहण्यास मदत होते. ३डी प्रिंटरमधील ‘एक्सट्रूजन’ (साच्यातून दाब देऊन पदार्थ बाहेर काढणे) आणि ‘बिल्ड-प्लेट’ (तो पृष्ठभाग ज्यावर थरावर थर रचत वस्तू तयार केली जाते) यांच्या तापमानांची योग्य जुळवाजुळव केल्यास या संमिश्र पदार्थाचे सुरळीतपणे मुद्रण होते. त्यामुळे शाश्वत आणि दणकट घटकांचे ‘रॅपिड प्रोटोटायपिंग’ म्हणजेच झटपट नमुना घडवणे शक्य होते.
या नव्या आणि पेटंट-प्राप्त पदार्थांचे पुष्कळ व्यावसायिक वापर शक्य आहेत. जगभरातील वेगवेगळ्या महत्वाच्या औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये यांचा उपयोग केला जाऊ शकतो. हे नैसर्गिक तंतूपासून बनलेले संमिश्र पदार्थ अत्यंत हलके असूनही चिवट असल्याने त्यांचा वापर वाहन उद्योगात इंधनाच्या टाक्या, वाहनांच्या आतील पॅनल, डॅशबोर्ड आणि बंपर तयार करण्यासाठी करता येईल. भारतात वाहनांचा वापरयोग्य काळ, त्यांची विल्हेवाट आणि पुनर्चक्रण याबाबतचे नियम सध्या कठोर केले जात आहेत. त्यामुळे त्यात वापरले जाणारे प्लास्टिक एकतर कार्यक्षमरीत्या पुनर्चक्रण करता येईल असे किंवा शाश्वत पदार्थापासून आणि मोठ्या प्रमाणात नैसर्गिक तंतूचे बनलेले असणे गरजेचे आहे. तसेच, घरगुती वापरात हे पदार्थ बांधकामासाठीचे पर्यावरणपूरक पॅनल, संरचनात्मक आधार किंवा बांधकामाचे सांगाडे, तात्पुरत्या बांधकामांसाठीच्या फळ्या, खुर्च्या व टेबलांचे पृष्ठभाग इत्यादी दर्जेदार फर्निचर तयार करण्यासाठी आदर्श आहेत; कारण यांना वाळवीचा प्रादुर्भाव किंवा ओलाव्यामुळे कुजण्याचा धोका नसतो. याचबरोबर, ग्राहकोपयोगी वस्तू आणि पॅकेजिंग क्षेत्रातही हे पदार्थ एकदाच वापरल्या जाणाऱ्या किंवा पुनर्चक्रणास कठीण असलेल्या प्लास्टिकला पर्याय ठरू शकतात. या संमिश्र पदार्थांपासून टिकाऊ घरगुती वस्तू, स्वयंपाकासाठी पुनर्वापरयोग्य भांडी आणि पर्यावरणपूरक पॅकेजिंग तयार करता येऊ शकतात.
“या संशोधनाने हे सिद्ध करून दाखवले की एकाच नैसर्गिक तंतू-आधारित प्रणालीचा वापर इंजेक्शन मोल्डिंग, ३डी प्रिंटिंग आणि व्हॅक्युम-असिसटेड रेझिन ट्रान्सफर मोल्डिंग (व्हीएआरटीएम) अशा विविध उत्पादन तंत्रांमध्ये करता येऊ शकतो. विविध उत्पादन पद्धतींशी सुसंगत असल्यामुळे या नव्या संमिश्र पदार्थांचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करणे आणि त्यांचे व्यापारीकरण करणे अधिक सोपे बनते,” नितीन म्हणाले.
कार्बन उत्सर्जन कमी करण्यासाठी आणि काच-तंतूंसारख्या कृत्रिम व पुनर्चक्रणास कठीण असलेल्या पदार्थांचा वापर घटवण्यासाठी जगभरात तातडीने उपाय शोधले जात आहेत. अशा परिस्थितीत हरित उत्पादन पद्धती अधिकाधिक महत्त्वाच्या ठरत आहेत. सर्वत्र आढळणाऱ्या आणि झपाट्याने वाढणाऱ्या रानटी गवताचा पुनर्चक्रणयोग्य प्लास्टिकला बळकटी देणारा घटक म्हणून उपयोग करून संशोधकांनी अधिक स्वस्त आणि पर्यावरणपूरक उत्पादनाचा नवा मार्ग प्रशस्त केला आहे. वाहनांसाठी हलक्या वजनाचे सुटे भाग तयार करण्यापासून ते वेगवेगळ्या उत्पादनांसाठी शाश्वत पॅकेजिंग पर्यंत अनेक क्षेत्रांमध्ये या ‘गवत-प्रबलित’ म्हणजेच गवताने मजबूत केलेल्या प्लास्टिकचा उपयोग होऊ शकतो. यामुळे खऱ्या अर्थाने शाश्वत उत्पादनव्यवस्थेच्या दिशेने आणखी एक पाऊल पुढे टाकण्यास मदत होईल.
