Пластик — лёгкий, но прочный материал, это замечательные свойства, пока он вам нужен. Но так как пластик содержит различные добавки — красители, огнезащитные вещества, только малое количество его разновидностей может быть переработано без ущерба для эксплуатационных и эстетических качеств. Даже самый пригодный для вторичной переработки пластик, ПЭТ, полиэтилентерефталат, перерабатывается только на 20—30 %. Остальные виды обычно отправляют на мусоросжигательные заводы или на свалки, где разложение углеродосодержащего материала занимает целые столетия.
Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), США, разработали пластик, пригодный для вторичной переработки. Подобно конструктору Lego, он может быть разобран на составляющие на молекулярном уровне, а потом вновь собран с другой формой, текстурой, цветом, но без потери эксплуатационных качеств. О новом материале, полидикетоенамине (ПДК, PDK), сообщается в журнале Nature Chemistry.
«Большинство пластмасс никогда не производилось для вторичной переработки, — говорит ведущий исследователь Питер Кристенсен (Peter Christensen), — Но мы открыли новый способ создания пластика, предусматривающий возможность переработки на молекулярном уровне».
Все пластмассы, от тех, из которых делают бутылки с водой, до тех, что идут на производство корпусов автомобилей, состоят из больших молекул, называемых полимерами, которые, в свою очередь, состоящие из повторяющихся единиц более коротких углеродсодержащих соединений, мономеров.
По мнению исследователей, проблема многих пластмасс в том, что химические вещества, добавляемые для большей функциональности, например, наполнители, делающие пластик более жёстким, или пластификаторы, добавляемые для гибкости, прочно связываются с мономерами и остаются в пластике даже после переработки.
Во время переработки на заводе пластмассы с различным химическим составом — и твёрдые, и эластичные, и прозрачные, и цветные — смешиваются и измельчаются. Когда эта смесь из измельчённых пластмасс расплавляется для получения нового материала, трудно предсказать, какие свойства этот материал унаследует от исходных пластмасс.
То, что свойства наследуются непредсказуемо, мешает пластику стать полностью перерабатываемым материалом, так, чтобы исходные мономеры могли быть восстановлены для повторного использования или получения более качественного продукта.
Когда многоразовая упаковка, изготовленная из уже переработанного пластика, изнашивается, её нельзя снова переработать. Когда срок службы подходит к концу, такую упаковку либо сжигают, либо отправляют на свалку.
«Полная переработка пластмасс — это важная задача, — говорит Бретт Хелмс (Brett Helms), научный сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, — Мы уже видим результаты распространения пластмассовых отходов в водных экосистемах. Эта тенденция, скорее всего, будет усугубляться с растущим объёмом производства пластмасс».
Исследователи хотят, чтобы пластмасса исчезла с мусорных полигонов и из океанов, они хотят стимулировать вторичную переработку пластмасс, что возможно с полимерами, образованными из ПДК.
«При использовании ПДК неизменяемые связи обычных пластмасс заменяются обратимыми связями, это позволяет более эффективно перерабатывать пластик», — говорит Хелмс.
В отличие от обычных пластмасс, мономеры в ПДК могут быть восстановлены и освобождены от любых добавок путём простого погружения материала в высококислотный раствор. Кислота помогает разорвать связи между мономерами и отделить их от добавок, формирующих внешний вид пластика.
«Нас интересует, как сделать переработку пластика из линейного процесса круговоротом, — говорит Хелмс. — Мы видим возможность изменить ситуацию к лучшему, когда нет вариантов утилизации». Это касается клеев, футляров для телефонов, ремешков для часов, обуви, компьютерных кабелей и твёрдых термоактивных элементов, изготовленных из горячего пластика.
Исследователи впервые обнаружили свойство, позволяющее повторно перерабатывать пластмассу на основе ПДК, когда Кристенсен применял различные кислоты к стеклянной посуде, используемой для изготовления ПДК-клеев. Он заметил, что изменился состав клея. Удивившись, что клей был преобразован, Кристенсен проанализировал молекулярную структуру образца с помощью ЯМР-спектроскопии. «К нашему удивлению, мы увидели исходные мономеры», — говорит Хелмс.
Проведя испытания различных составов в Molecular Foundry, исследователи убедились, что кислота не только расщепляет ПДК-полимеры на мономеры, но и позволяет отделять мономеры от добавок.
Затем они доказали, что восстановленные мономеры ПДК могут быть собраны в полимеры, а переработанные полимеры могут образовывать новые пластиковые материалы без наследования цвета или других особенностей исходного материала. Попавший в мусор ремешок может обрести новую жизнь в клавиатуре компьютера, если будет сделан из ПДК-пластика. Также можно будет перерабатывать пластик, придавая ему дополнительные качества, например гибкость.
Исследователи считают, что новый пластик, пригодный для вторичной переработки, может стать альтернативой многим, не подлежащим вторичной переработке пластмассам, используемым в настоящее время.
«Мы находимся в кризисе и необходимо подумать об инфраструктуре для модернизации перерабатывающих предприятий с целью дальнейшей сортировки и переработки нового пластика, — говорит Хелмс. — Если эти бы установки были предназначены для переработки ПДК и связанных с ним пластмасс, мы бы могли более эффективно избегать попадания пластика на полигоны и захоронения отходов, а также в океаны. Пора проектировать материалы и перерабатывающие установки так, чтобы сделать возможным производство перерабатываемого пластика».
В планах исследователей разработка ПДК-пластмасс с широким спектром термических и механических свойств для различных областей применения, таких как текстиль, 3D-печать и пеноматериалы. Кроме того, они хотят расширить состав за счёт включения растительных материалов.
