Новый класс перерабатываемых полимерных материалов однажды может помочь сократить количество пластиковых отходов

Сотни миллионов тонн одноразового пластика каждый год оказывается на свалках, и даже небольшой процент пластика, который перерабатывается, не может храниться вечно.Но наша группа ученых-материаловедов разработала новый метод создания и разрушения полимеров, который может привести к более легкому переработке пластика, который не требует от вас тщательной сортировки всей вторсырья в день вывоза мусора.

За столетие, прошедший с момента их появления, люди пришли к пониманию огромного воздействия – как полезного, так и вредного – пластика на жизнь людей и окружающую среду.Как группа ученых-полимерщиков стремясь найти устойчивые решения реальных проблем, мы решили решить эту проблему, переосмыслив способ проектирования полимеров и производя пластмассы с возможностью вторичной переработки.

Зачем вообще использовать пластик?

Предметы повседневного обихода, включая молочники, пакеты для продуктов, контейнеры для еды и даже веревки, изготовлены из класса полимеры, называемые полиолефинами.Полиолефины составляют около половина пластика производятся и утилизируются каждый год.

Эти полимеры используются в пластмассах, обычно маркируемых как HDPE, LLDPE или PP, или по их кодам переработки № 2, № 4 и № 5 соответственно.Эти пластмассы невероятно прочны, потому что химические связи из которых они состоят, чрезвычайно стабильны.Но в мире, ориентированном на одноразовое потребление, это уже не конструктивная особенность, а скорее конструктивный недостаток.

Представьте себе, если бы половина используемых сегодня пластмасс поддавалась вторичной переработке с помощью вдвое большего количества процессов, чем сейчас.Хотя это и не приведет к увеличению уровня переработки до 100%, скачок с однозначных цифр – сейчас около 9% – двузначное увеличение нанесет серьезный удар по производимому пластику, пластику, накапливаемому в окружающей среде, и его способности к переработке и повторному использованию.

Методы переработки, которые у нас уже есть

Даже пластик, попадающий на переработку нельзя использовать повторно точно так же, как их использовали раньше – процесс переработки приводит к разложению материала, поэтому он теряет полезность и ценность.Вместо того, чтобы производить пластиковые стаканчики, качество которых ухудшается каждый раз, когда они перерабатываются, производители потенциально могли бы производить пластик один раз, собирать его и использовать повторно снова и снова.

Обычная переработка требует тщательной сортировки всех собранных материалов, что может быть сложно из-за большого количества различных пластиков.Здесь, в США, сбор происходит в основном через однопоточная рециркуляция – все, от металлических банок, стеклянных бутылок, картонных коробок и пластиковых стаканчиков, попадает в один мусорный бак.Отделение бумаги от металла не требует сложной технологии, но отделить полипропиленовый контейнер от полиэтиленового молочника сложно без случайной ошибки.

Когда два разных пластика смешиваются во время переработки, их полезные свойства значительно снижаются – вплоть до делая их бесполезными.

Но предположим, вы можете переработать один из этих пластиков другим методом, чтобы он не загрязнял поток переработки.Когда мы смешали образцы полипропилена с изготовленным нами полимером, мы были все еще способен деполимеризоваться – или разрушить материал – и восстановить наши строительные блоки, не влияя химически на полипропилен.Это указывало на то, что поток загрязненных отходов все еще может восстановить свою ценность, а содержащийся в нем материал может быть переработан механически или химически.

Пластик, который нам нужен, но более пригодный для вторичной переработки

В исследование, опубликованное в октябре 2023 г., наша команда разработала серию полимеров, состоящих всего из двух простых строительных блоков – одного мягкого полимера и одного твердого полимера – которые имитируют полиолефины, но также могут быть подвергнуты химической переработке.

Соединение двух разных полимеров несколько раз, пока они не образуют одну длинную молекулу, создает то, что называется мультиблочный полимер.Просто регулируя количество каждого типа полимера, которое входит в мультиблочный полимер, наша команда создала широкий спектр материалов со свойствами, которые охватывают все типы полиолефинов.Но создать эти мультиблочные полимеры легче сказать, чем сделать.

Чтобы связать эти твердые и мягкие полимеры, мы адаптировал технику который ранее использовался только для очень маленьких молекул.Этот метод усовершенствован по сравнению с традиционными методами поэтапного изготовления полимеров, разработанными в 1920-х годах, когда реакционноспособные группы на концах молекул должны быть точно подобраны.

В нашем методе реакционноспособные группы теперь одинаковы, а это означает, что нам не нужно беспокоиться о спаривании концов каждого строительного блока для получения полимеров, которые могут конкурировать с полиолефинами, которые мы уже используем.Используя ту же стратегию, примененную наоборот, путем добавления водорода, мы могли бы снова разъединить полимеры на их строительные блоки и легко разделить их для дальнейшего использования.

С почти двукратное увеличение ежегодного использования пластика По прогнозам, до 2050 года сложность и количество переработки пластика будут только увеличиваться.Это важный фактор при разработке новых материалов и продуктов.

Использование всего двух строительных блоков для производства пластмасс, обладающих огромным разнообразием свойств, может существенно способствовать сокращению и оптимизации количества различных пластиков, используемых для производства нужных нам продуктов.Вместо того, чтобы использовать один пластик для создания чего-то гибкого, другой для чего-то жесткого и третий, четвертый и пятый для промежуточных свойств, мы могли бы контролировать поведение пластиков, просто изменяя количество каждого строительного блока в нем.

Хотя мы все еще находимся в процессе ответа на некоторые важные вопросы об этих полимерах, мы считаем, что эта работа является шагом в правильном направлении к более экологичным пластикам.

Мы были умею создавать материалы которые имитируют свойства пластмасс, на которые опирается весь мир, и сейчас мы нацелены на создание пластиковых композиций, которые невозможно создать с помощью существующих методов.