Теперь исследователи из Корнелла разработали недорогой и потенциально масштабируемый подход, который использует коммерчески доступный пероксид для связывания полимеров вместе, создавая тем самым более полезную и высококачественную добавку для переработки пластмасс.

Результаты были опубликованы 19 мая в журнале Американского химического общества. Соавторами исследования были постдокторский исследователь Мориц Кранцляйн и докторант Шилин Цуй. Проектом руководил Джеффри Коутс, профессор химии и химической биологии в Колледже искусств и наук Университета Тиш, старший автор статьи.

В некотором смысле, проект сам по себе является переработанным продуктом. В 2017 году лаборатория Коутса работала с сотрудниками из Университета Миннесоты над созданием мультиблочного полимера, который мог бы сочетать смеси полиэтилена и полипропилена. По словам Коутса, новый материал был важным научным достижением, но его оказалось трудно масштабировать. К тому же это было слишком дорого, чтобы быть практичным.

"Нам пришлось вернуться к чертежной доске и продумать диаграмму Венна о том, какой материал подойдет и какие синтетические методы будут доступны по цене", - сказал он. "Почему мы просто не сделали этого в 2017 году? Поверь мне, если бы это было легко, кто-нибудь другой давно бы это сделал".

Ключом к разработке их нового совместителя с полиолефинами был поиск существующих полимеров, которые при правильной обработке могли бы выполнять эту работу, а не создание нового с нуля. Кранцляйн начал с экспериментов с материалами, которые уже были в лаборатории, всегда имея в виду несколько параметров.

"На каждой второй встрече, когда я сообщал Джеффу последние новости, его первым вопросом было: "Какова стоимость?" Всегда существовала граница цены за фунт, которую я не должен был пересекать", - сказал Кранцляйн. "Мы действительно старались сохранить это в центре внимания этого проекта. Вместо того чтобы искать очень элегантное или изощренное решение, мы попытались найти реальное решение, которое работает".

Спустя полтора года - и более 200 экспериментов - исследователи остановились на органическом алкилпероксиде, который при нагревании, по сути, отделяет молекулы водорода от полиэтилена высокой плотности (HDPE) и изотактического полипропилена (iPP), чтобы их можно было привить друг к другу и сформировать сополимерный материал, который можно добавлять к процессу механической переработки смесей ПНД и ИПП, восстанавливающему их свойства.

По словам Кранцляйна, сополимер в принципе можно рассматривать как "пластиковое мыло".

"Когда у нас есть смеси товарных пластмасс, таких как HDPE и iPP, они не очень хорошо смешиваются, и эти фазы отделяются друг от друга, что ухудшает свойства материалов этих смесей", - сказал Кранцляйн. "В этом процессе добавляется третий компонент, который действует как мыло между этими двумя фазами, и это мыло способствует лучшей смешиваемости полимеров и, по существу, восстанавливает физические свойства этих смесей.

"Нам потребовалось очень, очень много времени, чтобы поиграть со всеми различными точками настройки, - сказал он, - пока мы, наконец, не достигли чего-то, чем были довольны".

Чтобы лучше понять свойства компатибилизатора и реакцию прививки, исследователи обратились к Бретту Форсу, профессору физической химии Фрэнка и Роберта Лафлинов (A& S), и докторантке Дженни Ху, которые провели исследования его реологических характеристик.

"Итак, у нас есть материал", - сказал Коутс. "Вопрос в том, можете ли вы сейчас зарабатывать большие суммы? Мы измеряем по граммам за раз. В конечном счете, вы бы хотели весить десятки килограммов. Мы уверены, что это будет масштабироваться, но предстоит проделать большую работу, чтобы добиться этого".

Коутс надеется, что компатибилизатор также может привести к созданию новых полимерных сплавов, которые используют соответствующие преимущества различных отходов пластмасс. Не было бы необходимости в гигантских заводах стоимостью в миллионы долларов: просто возьмите несколько уже существующих полимеров и добавьте компатибилизатор.

"Вы могли бы изготовить целый вид поддонов из сплавов, которые могли бы обладать лучшими свойствами, чем любой из чистых полимеров по отдельности, точно так же, как нержавеющая сталь", - сказал Коутс, который недавно запустил стартап, специализирующийся на технологии совместимости, через Центр венчурного развития Praxis при Корнелле. "Мечта в том, что если вы сможете изготовить действительно жесткий полимер, который к тому же будет действительно прочным, то вы сможете изготовить упаковку, в которой используется меньше материала, но при этом сохраняются те же свойства. Это одно из других важных применений этой технологии".

Соавторами являются Форс, Ху и научный сотрудник Энн Лапойнт.

Исследование было поддержано Фондом семьи Герстнер при дополнительном финансировании Министерства энергетики США через Институт совместной переработки пластмасс Национальной лаборатории Эймса, исследовательский центр на переднем крае энергетики.