Ученые получили устойчивый и крепкий химически перерабатываемый пластик

Американские химики придумали, как синтезировать устойчивый термопластичный полимер, который годится для переработки и повторного использования. Нужные свойства ученые нашли у полидиоксолана с молекулярной массой больше 80 килодальтон, для синтеза которого использовали реакцию контролируемой полимеризации с раскрытием цикла. Полученные уже сейчас полимерные материалы по своим механическим параметрам не уступают современным пластикам, а в будущем метод планируют расширить и на другие полиацетали, пишут ученые в Science.

Из всех пластиковых отходов сейчас перерабатывается около 20 процентов, и всего около 2 процентов попадает в переработку замкнутого цикла. Эта проблема связана не только с вопросами сбора, сортировки и логистики, но и просто с наличием материалов, которые пригодны к полноценной переработке. Один из наиболее эффективных способов почти безотходной переработки — деполимеризация использованного пластика. Если знать, как превратить полимерный материал обратно в раствор отдельных мономеров, его практически полностью можно будет использовать повторно.

Большинство современных полимеров — или легко деполимеризуются, но при этом недостаточно прочные, или, наоборот, вопросов по их механическим характеристикам к ним нет, но есть проблемы с химическим разложением. Сейчас деполимеризация возможна для полимеров на основе сложных эфиров, карбоновых кислот и гетероциклических мономеров. Но большинство этих материалов слишком требовательны к условиям синтеза и сложности мономеров, либо к условиям деполимеризации.

Американские химики под руководством Джеффри Коутса (Geoffrey W. Coates) из Корнеллского университета нашли способ получения полиацетальных термопластов, которые не уступают по своим механическим свойствам современным полимерам, но при этом годятся для повторного использования. Достоинство полиацеталей в том, что их деполимеризация происходит при довольно невысоких температурах — ниже 150 градусов, но современные методы катионной полимеризации сильно ограничивают их молекулярную массу и, соответственно, механические свойства. Чтобы решить эту проблему, химики предложили немного изменить механизм полимеризации 1,3-диоксолана — пятичленного гетероцикла с двумя атомами кислорода в кольце — и более крупных циклических соединений того же класса: к катализатору (кислоте Льюиса) ученые добавили галогенметилметиловый эфир. Он может обратимо переводить мономеры из активного состояния в «спящее», и таким образом тормозить в нужный момент реакцию, не давая ей развиваться бесконтрольно.

Сначала химики попробовали взять в качестве инициатора и катализатора хлориды, но в итоге оказалось, что для ускорения полимеризации бром подходит лучше хлора. В итоге остановились на бромиде индия и бромметилметиловом эфире. Чтобы подавить обратную реакцию полимеризации, ученые дополнительно добавляли в реакционную смесь ди-трет-бутилпиридин, который работал как протонная ловушка. Такая реакция позволяет при комнатной температуре получить полимер нужной молекулярной массы, а если температуру повышать, то полимер можно разобрать обратно на составные элементы.

Образующийся полидиоксолан (PDXL) — термопластичный полимерный материал, который при достаточной молекулярной массе (больше 80 килодальтон) по своим механическим характеристикам сопоставим с современными промышленными полимерами. Его можно растянуть примерно восемь раз — меньше, чем полиэтилен высокой плотности или линейный полиэтилен низкой плотности, но значительно больше, чем полипропилен. Зато максимальная нагрузка, которую полидиоксолан выдерживает при растяжении, превышает 40 мегапаскалей — значительно выше, чем полиэтилен и полипропилен.

В присутствии слабых кислот и аминов полидиоксолан оказался устойчив до 380 градусов Цельсия. Из полимера ученые изготовили несколько прототипов упаковок и контейнеров, для которых  этот пластик потенциально можно использовать. Тем не менее, авторы работы отмечают, что перед тем, как запускать материал в производство, его нужно более детально исследовать с точки зрения устойчивости, токсичности и механизмов разложения в естественных условиях.

В отличие от слабых кислот, сильные кислоты приводят к разложению полидиоксолана. Поэтому чтобы деполимеризовать соединение, авторы работы добавляли кислоту и нагревали полимер до 140-150 градусов Цельсия. Дистилляция этой смеси в течение часа при атмосферном давлении приводит к распаду на мономеры с выходом 98 процентов, которые можно после этого использовать повторно. Кроме того, авторы работы показали, что выделить нужный мономер можно и из смеси полимерных материалов. Ученые собрали смесь из девяти используемых полимеров (включая полиэтилен, полипропилен, полистирол и другие) и выделили из нее мономер диоксолан с выходом 96 процентов.

В дальнейшем предложенный метод управляемой полимеризации химики планируют расширить на другие полиацетали, которые ближе к современным пластикам, в частности, по гидрофобности и температуре плавления.

В 2018 году химики нашли другой полимер, не уступающий по своим механическим свойствам и термической устойчивости современным пластмассам, и который при этом можно деполимеризовать и использовать повторно. Его тоже получают полимеризацией гетероциклических молекул, но для разложения нужны более высокие температуры (выше 300 градусов Цельсия) или более сложные условия реакции.

Впрочем, повторное использование полимерных материалов необязательно подразумевает их полную деполимеризацию. Например, недавно химики из Новой Зеландии предложили превращать использованные столовые приборы из полилактида в пену — а ее можно потом использовать в качестве материала для теплоизоляции стен.

Александр Дубов