Хотя во многих городах и восьми штатах запрещен одноразовый пластик, пакеты и другая полиэтиленовая упаковка по-прежнему засоряют свалки и загрязняют реки и океаны.
Одной из основных проблем с переработкой полиэтилена, который составляет одну треть всего производства пластика в мире, является экономическая проблема: переработанные пакеты превращаются в малоценные продукты, такие как настилы и строительные материалы, что не дает большого стимула для повторного использования. отходы.
Новый химический процесс, разработанный в Калифорнийском университете в Беркли, превращает полиэтиленовый пластик в прочный и более ценный клей и может изменить этот расчет.
«Видение состоит в том, что вы возьмете пластиковый пакет, который не представляет никакой ценности, и вместо того, чтобы выбросить его, где он окажется на свалке, 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 - ежегодно производятся сотни миллиардов фунтов полиэтилена - и превратить его в материал с клейкими свойствами, но если вы возьмете какую-то его часть и превратите в нечто высокая ценность, которая может изменить экономику превращения остальной части во что-то менее ценное».
Для большинства пластиков переработка означает их измельчение и преобразование в обычные продукты, в процессе чего теряются многие свойства, тщательно разработанные для оригинального пластика, такие как гибкость и простота обработки. И хотя новые методы переработки могут расщеплять пластмассы на химические составляющие для использования в качестве топлива или смазочных материалов, эти продукты также малоценны и могут быть экологически сомнительными (еще одно сжигаемое ископаемое топливо) или иметь короткий срок службы.
Чтобы сделать вторичную переработку более привлекательной, исследователи и производители пластмасс искали способы вторичной переработки, 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: полиэтилен обычно плохо справляется с этим. Его команда показала, что модифицированный полиэтилен можно даже красить латексом на водной основе. Латекс легко отделяется от стандартного полиэтилена низкой плотности, называемого LDPE.
Статья, описывающая этот процесс, будет опубликована в Интернете 17 декабря в журнале Chem и появится в январском печатном издании.
«Мы можем улучшить адгезию, сохраняя при этом все другие свойства полиэтилена, которые промышленность находит столь полезными», - сказал соавтор Филипп Мессерсмит, профессор кафедры биоинженерии и материаловедения Калифорнийского университета в Беркли в 1941 году. и машиностроение. «Обрабатываемость, термическая стабильность и механические свойства, кажется, не пострадали при улучшении адгезии. Это сложно сделать. Это действительно то, что 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 пластика, такими как полипропилен, содержащийся в переработанных пластиковых бутылках, для производства продуктов с более высокой стоимостью, которые являются экономически привлекательными.
Настройка углеводородных цепочек
Hartwig специализируется на разработке новых каталитических процессов - в данном случае на добавлении небольших химических звеньев к большим углеводородным цепям или полимерам в очень определенных местах - для создания «функционализированных полимеров» с новыми и полезными свойствами. Такие реакции сложны, потому что основным преимуществом пластмасс является их устойчивость к химическим реакциям.
Для этого проекта он хотел посмотреть, сможет ли он добавить гидроксильную группу - кислород, связанный с водородом, или ОН - к небольшой части углерод-водородных связей вдоль цепи полиэтилена.
«Полиэтилен обычно имеет от 2 000 до 10 000 атомов углерода в цепи, с двумя атомами водорода на каждом углероде - на самом деле, это океан групп CH2, называемых метиленами», - сказал он. «Мы просмотрели литературу, чтобы найти наиболее активный катализатор для функционализации метиленовой позиции».
Катализатор должен работать при высоких температурах, так как твердый переработанный пластик должен быть расплавлен. Кроме того, он должен работать в неполярном растворителе и, таким образом, может смешиваться с неполярным полиэтиленом. Это одна из причин, по которой он не прилипает к полярным или заряженным металлам.
Хартвиг и научный сотрудник Лие Чен остановились на катализаторе на основе рутения (полифторированный рутениевый порфирин), который удовлетворял этим требованиям, а также мог добавлять ОН-группы к полимерной цепи без высокореакционноспособного гидроксила, разрывающего полимерную цепь.
Реакция неожиданно привела к получению соединения полиэтилена, которое плотно прилипает к металлическому алюминию, предположительно посредством молекул ОН, прикрепленных к углеводородной цепи полиэтилена. Чтобы лучше понять адгезию, Чен объединился с Катериной Малоллари, аспиранткой лаборатории Мессерсмит, которая занимается биологическими тканями с адгезивными свойствами, в частности клеем, производимым мидиями..
Чен и Малоллари обнаружили, что добавление относительно небольшого количества спирта к полимеру увеличивает адгезию в 20 раз.
«Катализ внес химические изменения менее чем в 10% полимера, но резко увеличил его способность прилипать к другим поверхностям», - сказал Мессерсмит.
Прилипание полиэтилена к вещам, включая латексную краску, открывает множество возможностей, добавил он. Искусственные тазобедренные суставы и коленные имплантаты часто объединяют полиэтилен с металлическими компонентами, и их можно заставить лучше прилипать к металлу. Функционализированный полиэтилен можно использовать для покрытия электрических проводов, в качестве клея, который склеивает другие полимеры - например, в пакетах из-под 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 с адгезией 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 являемся одной из немногих групп, которым удалось селективно ввести функциональную группу в длинноцепочечные углеводородные полимеры», - сказал он.«Другие люди могут разорвать цепи, а другие могут зациклить цепи, но на самом деле ввести полярную функциональную группу в цепи - это то, что никому другому не удалось сделать».
В команду Хартвига также входил аспирант Калифорнийского университета в Беркли Адам Ульяна. Работа выполнена при поддержке Министерства энергетики США (DE-AC02-05CH11231) и Национального института здравоохранения (R37 DE014193).