Одна из основных проблем с переработкой полиэтилена, на который приходится треть всего производства пластика во всем мире, является экономической: переработанные пакеты превращаются в малоценные продукты, такие как палубы и строительные материалы, что не дает стимулов для повторного использования отходов.
Новый химический процесс, разработанный в Калифорнийском университете в Беркли, превращает полиэтиленовый пластик в прочный и более ценный клей и может изменить этот зубной камень.
«Идея заключается в том, что вы возьмете полиэтиленовый пакет, который не представляет никакой ценности, и вместо того, чтобы выбросить его, когда он окажется на свалке, вы превратите его во что-то ценное», – сказал Джон Хартвиг, Генри Рапопорт. Кафедра органической химии Калифорнийского университета в Беркли и руководитель исследовательской группы. «Невозможно взять весь этот переработанный пластик – сотни миллиардов фунтов полиэтилена производятся каждый год – и превратить его в материал с адгезионными свойствами, но если вы возьмете некоторую его часть и превратите ее во что-то, что имеет высокую ценность, что может изменить экономику превращения остальной части во что-то менее ценное."
Для большинства пластмасс переработка означает измельчение их и преобразование в обычные продукты, при этом теряя многие свойства, кропотливо воплощенные в исходном пластике, такие как гибкость и простота обработки.
И хотя новые методы переработки могут расщеплять пластмассы на их химические составляющие для использования в качестве топлива или смазочных материалов, эти продукты также имеют низкую ценность и могут быть экологически опасными – еще одно ископаемое топливо для сжигания – или иметь короткий срок службы.
Чтобы сделать переработку более привлекательной, исследователи и производители пластмасс искали способы «вторичного использования», то есть превращения переработанного пластика во что-то более ценное и долговечное.
Химический процесс, разработанный Хартвигом и его коллегами, сохраняет многие из исходных свойств полиэтилена, но добавляет к полимеру химическую группу, которая заставляет его прилипать к металлу: обычно полиэтилен плохо справляется с этой задачей.
Его команда показала, что модифицированный полиэтилен можно красить даже латексом на водной основе. Латекс легко отслаивается от стандартного полиэтилена низкой плотности, известного как LDPE.
Документ с описанием этого процесса будет опубликован онлайн в декабре. 17 в журнале Chem и появится в январском печатном издании.
«Мы можем улучшить адгезию, сохранив при этом все другие свойства полиэтилена, которые промышленность считает столь полезными», – сказал соавтор Филипп Мессерсмит, профессор кафедры биоинженерии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Технологичность, термостабильность и механические свойства не повреждаются при улучшении адгезии. Это сложно сделать.
Вот где нам действительно есть что показать."
Хотя этот процесс еще не является экономичным для промышленного использования, Хартвиг считает, что его можно улучшить и он 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, содержащийся в переработанных пластиковых бутылках, для производства более дорогих продуктов, которые являются экономически привлекательными.
Настройка углеводородных цепей
Хартвиг специализируется на разработке новых каталитических процессов – в данном случае добавлении небольших химических единиц к большим углеводородным цепям или полимерам в очень определенных местах – для создания «функционализированных полимеров» с новыми и полезными свойствами. Такие реакции затруднены, потому что главное преимущество пластмасс 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 – на небольшую долю углерод-водородных связей вдоль полиэтиленовой цепи.
«Полиэтилен обычно содержит от 2 000 до 10 000 атомов углерода в цепи, с двумя атомами водорода на каждом атоме углерода – на самом деле, это океан групп CH 2, называемых метиленами», – сказал он. "Мы погрузились в литературу, чтобы найти наиболее активный катализатор, который мы могли бы найти для функционализации метиленовой позиции."
Катализатор должен работать при высоких температурах, поскольку твердый переработанный пластик необходимо расплавить. Кроме того, он должен работать в неполярном растворителе и, следовательно, может смешиваться с неполярным полиэтиленом.
Это одна из причин, по которой он не прилипает к полярным или заряженным металлам.
Хартвиг и научный сотрудник Лийе Чен остановились на катализаторе на основе рутения (полифторированный рутениевый порфирин), который удовлетворял этим требованиям, а также мог добавлять группы ОН в полимерную цепь без разрыва полимерной цепи с помощью высокореакционноспособного гидроксила.
В результате реакции неожиданно образовалось соединение полиэтилена, которое плотно прилипает к металлическому алюминию, предположительно за счет молекул ОН, прикрепленных вдоль углеводородной цепи полиэтилена. Чтобы лучше понять адгезию, Чен объединился с Катериной Малоллари, аспиранткой лаборатории Мессермита, которая занимается изучением биологических тканей с адгезионными свойствами, в частности, клея, производимого мидиями.
Чен и Малоллари обнаружили, что добавление относительно небольшого процента спирта к полимеру увеличивает адгезию в 20 раз.
«Катализ привел к химическим изменениям менее чем 10% полимера, но значительно повысил его способность прилипать к другим поверхностям», – сказал Мессерсмит.
Прикрепление полиэтилена к вещам, включая латексную краску, открывает много возможностей, добавил он. Искусственные тазобедренные суставы и коленные имплантаты часто объединяют полиэтилен с металлическими компонентами и могут лучше прилегать к металлу.
Функционализированный полиэтилен можно использовать для покрытия электрических проводов, обеспечения клея, склеивающего другие полимеры – например, в картонных коробках для молока – или для изготовления более прочных композитов из пластика и металла, например, в игрушках.
«Полезность здесь заключается в возможности ввести эти функциональные группы, которые помогают решить многие давние проблемы адгезии полиэтилена: адгезия полиэтилена к другому полиэтилену или другим полимерам, а также к металлу», – сказал Мессерсмит.
Хартвиг предвидит больше возможностей для функционализации сложных полимеров, включая наиболее распространенный пластик, полипропилен.
«Мы – одна из немногих групп, которая смогла выборочно ввести функциональную группу в длинноцепочечные углеводородные полимеры», – сказал он. «Другие люди могут разорвать цепи, а другие могут циклизовать цепи, но на самом деле ввести полярную функциональную группу в цепи – это то, что никто другой не смог сделать."
В команду Хартвига также входил аспирант Калифорнийского университета в Беркли Адам Ульяна. Работа поддержана U.S.
Министерство энергетики (DE-AC02-05CH11231) и Национальные институты здравоохранения (R37 DE014193).