Ежегодно в мире производится около 450 миллионов метрических тонн пластика. Основная часть этого огромного объёма используется лишь один раз, а затем оказывается в мусоросжигательной печи или на свалке. Это относится и к так называемым полиолефинам, в число которых входят полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). В виде упаковочных материалов и плёнок они составляют примерно половину нашего потребления пластика.
Даунсайклинг или высокие затраты энергии
Полиолефины можно расплавить и отлить в новые формы, но при этом их качество заметно ухудшается. Красители, содержащиеся в отходах, придают переработанному материалу тёмный цвет, а нагрев ухудшает его свойства: в результате материал пригоден лишь для малоценных изделий, таких как цветочные горшки или тротуарная плитка.
До сих пор не удавалось избирательно расщепить полиолефины на их основные структурные единицы — мономеры, из которых можно было бы синтезировать новые высококачественные полимеры.
В олефинах, состоящих исключительно из углерода и водорода, нет атомов кислорода, азота или хлора, необходимых для целенаправленных реакций расщепления. На сегодняшний день единственный осуществимый способ — случайное разложение с помощью энергоёмкого процесса нагрева, известного как пиролиз. При этом получается сырьё на основе нефти, из которого мономеры приходится собирать заново.
thickness 0.67 mm; inset). Right: the adhesive supported the weight of an adult male (approximately 80 kg) during a hanging and pull-up test. Credit: Journal of the American Chemical Society (2026). DOI: 10.1021/jacs.5c21265
Апсайклинг в высокоэффективные клеи
Теперь группа исследователей под руководством химика-полимерщика, профессора ETH Тэ-Лима Чхве разработала процесс, который позволяет превращать полиолефины в пластики с более высокой стоимостью, а не просто перерабатывать их с потерей ценности. Для этого на пластик «прививают» дополнительные полимерные цепи с новыми функциями.
Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society. ETH Zurich запатентовал этот процесс и выдвинул его на премию Spark Award.
Хонсик Ким, старший научный сотрудник группы Чхве, который в первую очередь отвечал за разработку метода, получил первым продуктом клеи, используя обычные пластиковые пакеты и бутылки. Их адгезия к различным материалам, таким как металл, стекло или дерево, отвечает требованиям к промышленному клею, применяемому в несущих и сильно нагруженных соединениях при производстве транспортных средств и оборудования.
Однако спектр возможных применений гораздо шире: дополнительные полимерные цепи позволяют внедрять в полиолефины весь набор химических функций — от полярных групп, взаимодействующих с водой в разной степени, через кислоты и основания до химических групп, способных вступать в очень специфические реакции.
Реакционноспособные атомы хлора активируют полимерные цепи
Ключевым химическим компонентом процесса служат хлорированные растворители. При облучении коротковолновым светом эти растворители могут образовывать высокореакционноспособные отдельные атомы хлора — радикалы. Они передают свою реакционную способность атомам углерода в цепях полиолефинов, в результате чего возникают углеродные радикалы, которые можно использовать как отправную точку для синтеза дополнительных полимерных цепей.
Идея использовать хлорированные растворители для создания реакционных центров в цепях полиолефинов появилась благодаря сотрудничеству Чхве с группой Атины Анастасаки, профессора устойчивых полимеров в ETH Zurich. Она применила этот принцип к переработке акрилового стекла, известного также под торговой маркой Plexiglas.
Просто и точно управляемо
Главные преимущества нового запатентованного метода в том, что он чрезвычайно прост, не требует дорогих специальных реагентов или катализаторов и не нуждается в высоких температурах процесса.
Весь процесс проходит в один этап: пластиковые отходы растворяют в хлорированном растворителе, после чего добавляют мономеры, необходимые для синтеза нужного привитого полимера.
Кроме того, процесс можно точно регулировать. «Мы можем управлять тем, сколько радикалов образуется, а значит, сколько центров в цепях полиолефинов активируется для прививки, изменяя по необходимости степень хлорирования растворителя и длину волны света», — объясняет Ким.
Возможны пластики с новыми свойствами
Помимо полученного клея, возможны и многие другие применения технологии, говорит Чхве: «Клей — продукт первого поколения. В будущем станут возможны пластики с совершенно новыми свойствами. В принципе, на полиолефины можно прививать дополнительные полимеры с любой мыслимой химической функциональностью».
С момента публикации патента, полгода назад, исследователи уже наладили многочисленные контакты с промышленностью. Одно из конкретных сотрудничеств касается пищевой упаковки из полиолефиновых пластиков, которая будет не только водонепроницаемой, но и не пропускать кислород. В результате продукты в морозильной камере будут окисляться меньше («меньше темнеть»), чем при использовании нынешней упаковки из полиэтилена и полипропилена.
По словам Кима, клеящие свойства первого продукта открывают и дополнительные возможности: «В качестве связующего такие материалы могли бы, среди прочего, соединять малоценный переработанный пластик в гораздо более прочный, а значит, и более качественный материал».