В то время как многие города и восемь штатов запретили одноразовый пластик, пакеты и др., но полиэтиленовая упаковка по-прежнему засоряют свалки и загрязняют реки и океаны. Одна из основных проблем, связанных с переработкой полиэтилена, который составляет треть всего производства пластмасс в мире, является экономической: переработанные мешки в конечном итоге превращаются в малоценные продукты, такие как палубы и строительные материалы, что дает мало стимулов для повторного использования отходов.

Новый химический процесс, разработанный в Калифорнийском университете в Беркли, превращает полиэтиленовый пластик в сильный и более ценный клей и может изменить это исчисление.

"Идея заключается в том, что вы возьмете пластиковый пакет, который не представляет никакой ценности, и вместо того, чтобы выбросить его на свалку, вы превратите его во что-то очень ценное", - сказал Джон Хартвиг, заведующий кафедрой органической химии Генри Рапопорта в Калифорнийском университете в Беркли и руководитель исследовательской группы. "Вы не можете взять весь этот переработанный пластик—сотни миллиардов фунтов полиэтилена производятся каждый год—и превратить его в материал с адгезивными свойствами, но если вы возьмете какую-то часть этого и превратите его во что-то, что имеет высокую ценность, это может изменить экономику превращения остальной части его во что-то, что имеет меньшую ценность."

Для большинства пластмасс вторичная переработка означает измельчение их и формирование из них универсальных продуктов, в процессе чего многие свойства, кропотливо спроектированные в исходном пластике, такие как гибкость и простота обработки, выбрасываются. И хотя новые методы переработки могут расщеплять пластмассы на их химические составляющие для использования в качестве топлива или смазочных материалов, эти продукты также являются малоценными и могут быть экологически сомнительными-еще одно ископаемое топливо для сжигания—или иметь короткий срок службы.

Чтобы сделать переработку более привлекательной, исследователи и индустрия пластмасс искали способы "прокачки" -то есть превращения переработанного пластика во что-то более ценное и долговечное.

Химический процесс, разработанный Хартвигом и его коллегами, сохраняет многие из первоначальных свойств полиэтилена, но добавляет к полимеру химическую группу, которая заставляет его прилипать к металлу: то, что полиэтилен обычно делает плохо. Его команда показала, что модифицированный полиэтилен можно даже окрашивать латексом на водной основе. Латекс легко отслаивается от стандартного полиэтилена низкой плотности, называемого ПВД.

Статья, описывающая этот процесс, будет опубликована в интернете 17 декабря в журнале Chem и появится в январском печатном издании.

"Мы способны повысить адгезию, сохраняя при этом все другие свойства полиэтилена, которые промышленность считает столь полезными",-сказал соавтор исследования Филипп Мессерсмит, профессор факультета биоинженерии и материаловедения Калифорнийского университета в Беркли. "Обрабатываемость, термическая стабильность и механические свойства, по-видимому, не пострадали при одновременном повышении адгезии. Это сложно сделать. Вот тут-то нам и предстоит показать кое-что интересное."

Хотя этот процесс еще не является экономичным для промышленного использования, Хартвиг считает, что он может быть улучшен и может стать отправной точкой для добавления других свойств, помимо липкости. Успех также намекает на то, что другие катализаторы могут работать с другими типами пластмасс, такими как полипропилен, найденный в переработанных пластиковых бутылках, для производства более ценных продуктов, которые являются экономически привлекательными.

Настройка углеводородных цепей

Хартвиг специализируется на разработке новых каталитических процессов—в данном случае, добавление небольших химических единиц к большим углеводородным цепям или полимерам в очень специфических местах-для создания "функционализированных полимеров" с новыми и полезными свойствами. Такие реакции трудны, потому что основной пункт продажи пластмасс заключается в том, что они устойчивы к химическим реакциям.

Для этого проекта он хотел посмотреть, может ли он добавить гидроксильную группу-кислород, связанный с водородом, или он - в небольшой доле углерод-водородных связей вдоль полиэтиленовой цепи.

"Полиэтилен обычно имеет от 2000 до 10 000 атомов углерода в цепи, с двумя водородами на каждом углероде-на самом деле это океан CH2-групп, называемых метиленами", - сказал он. "Мы углубились в литературу, чтобы найти наиболее активный катализатор, который мы могли бы найти для функционализации метиленового положения."

Катализатор должен был бы работать при высоких температурах, так как твердый переработанный пластик должен быть расплавлен. Кроме того, он должен был бы работать в неполярном растворителе и, следовательно, смешиваться с неполярным полиэтиленом. Это одна из причин, почему он не прилипает к металлам, которые являются полярными или заряженными.

Хартвиг и постдокторант Лийе Чен остановились на катализаторе на основе рутения (полифторированный рутениевый порфирин), который удовлетворял этим требованиям, а также мог добавлять Он-группы в полимерную цепь без высокореактивного гидроксила, разрывающего полимерную цепь на части.

Реакция, как ни странно, привела к образованию полиэтиленового соединения, которое плотно прилипает к алюминиевому металлу, предположительно с помощью молекул он, прикрепленных вдоль углеводородной цепи полиэтилена. Чтобы лучше понять адгезию, Чэнь объединился с Катериной Малоллари, аспиранткой лаборатории Мессерсмита, которая специализируется на биологических тканях с адгезионными свойствами—в частности, клей, производимый мидиями.

Чен и Малоллари обнаружили, что добавление относительно небольшого процента спирта к полимеру повышает адгезию в 20 раз.

"Катализ внес химические изменения менее чем в 10% полимера, но значительно повысил его способность прилипать к другим поверхностям", - сказал Мессерсмит.

Получение полиэтилена для прилипания к вещам, включая латексную краску, открывает много возможностей, добавил он. Искусственные тазобедренные суставы и коленные имплантаты часто объединяют полиэтилен с металлическими компонентами и могут быть сделаны так, чтобы лучше прилипать к металлу. Функционализированный полиэтилен можно использовать для покрытия электрических проводов, получения клея, который склеивает другие полимеры—например, в молочных коробках,—или для изготовления более прочных композитов из пластика и металла, например, в игрушках.

"Полезность здесь заключается в возможности введения этих функциональных групп, которые помогают решить многие давние проблемы адгезии полиэтилена: адгезию полиэтилена к другому полиэтилену или к другим полимерам, а также к металлу", - сказал Мессерсмит.

Хартвиг предвидит больше возможностей для функционализации сложных полимеров, в том числе самого распространенного пластика-полипропилена.

"Мы являемся одной из немногих групп в мире, которая смогла избирательно ввести функциональную группу в длинноцепочечные углеводородные полимеры", - сказал он. "Другие люди могут разорвать цепи, и другие могут циклизовать цепи, но фактически ввести полярную функциональную группу в цепи-это то, что никто другой не смог сделать."

ИСТОЧНИК