Из полиэтилена и полипропилена получили клеи для высоких нагрузок

Ежегодно в мире производят около 450 млн тонн пластмасс. Значительную часть используют лишь один раз, после чего отправляют на сжигание или захоронение. Примерно половина потребления пластика приходится на полиолефины, в том числе полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП), широко применяемые в упаковке и пленках.

Команда профессора ETH Zurich Тхэ Лим Чхве предложила не разбирать эти полимеры на исходные компоненты, а присоединять к их цепям дополнительные полимерные цепи. Такой подход позволяет получать из отходов материалы с новыми свойствами и более высокой ценностью.

Почему переработка полиолефинов остается сложной задачей

Полиэтилен и полипропилен можно переплавлять и формовать заново, но качество вторсырья при этом нередко снижается. Красители из отходов меняют его цвет, а нагрев ухудшает свойства полимера. Это ограничивает применение переработанного материала: например, его используют для изготовления цветочных горшков или тротуарных плит.

Вернуть полиолефины к исходным мономерам для последующего синтеза качественного полимера значительно сложнее. Их цепи состоят из углерода и водорода и не содержат атомов кислорода, азота или хлора, которые могли бы служить участками для направленного расщепления.

Один из способов переработки — пиролиз, то есть разложение при высоких температурах. Он требует значительных затрат энергии и дает смесь углеводородов, которую затем необходимо переработать для получения мономеров.

Вместо расщепления — прививка новых цепей

Разработанный в ETH Zurich метод сохраняет полиолефиновую основу и добавляет к ней новые функциональные группы с помощью привитых полимерных цепей. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society. ETH Zurich запатентовал процесс и выдвинул его на премию Spark Award.

Первым продуктом стали клеи, которые ведущий исследователь группы Хон Сик Ким получил из обычных пластиковых пакетов и бутылок. По данным авторов работы, прочность соединений с металлом, стеклом и древесиной соответствует требованиям к промышленным клеям для нагруженных соединений в производстве транспорта и оборудования.

В одном из демонстрационных испытаний образец клея массой 13 мг удерживал гирю весом 20 кг. Диаметр образца составлял 0,5 см, толщина — 0,67 мм. В другом испытании клеевое соединение выдержало вес мужчины массой около 80 кг при висе и подтягивании.

Как свет запускает модификацию пластика

Ключевую роль в процессе играют хлорсодержащие растворители. Под действием коротковолнового света они образуют высокореакционные радикалы хлора. Те создают радикальные центры на углеродных атомах полиолефиновых цепей — участки, от которых затем растут дополнительные полимерные цепи.

Идея такого способа активации возникла в сотрудничестве с группой профессора ETH Zurich Афины Анастасаки. Ранее она использовала этот принцип при переработке акрилового стекла, известного также под маркой Plexiglas.

Процесс проходит в одну стадию: пластиковые отходы растворяют в хлорсодержащем растворителе и добавляют мономеры, необходимые для формирования привитых цепей. По словам разработчиков, метод не требует дорогих специальных реагентов, катализаторов и высоких температур.

Количество активных центров можно регулировать, меняя степень хлорирования растворителя и длину волны света. Это позволяет управлять числом участков, к которым присоединяются новые цепи.

Возможности для упаковки и вторичного сырья

Клей — лишь первый вариант применения технологии. Привитые цепи позволяют вводить в полиолефины полярные, кислотные, основные и другие функциональные группы, меняя свойства исходного материала.

Исследователи уже установили контакты с промышленными компаниями. Одно из направлений сотрудничества — пищевая упаковка на основе полиолефинов, которая защищала бы содержимое не только от воды, но и от проникновения кислорода. Такая упаковка могла бы уменьшить окисление продуктов при хранении в морозильной камере по сравнению с обычной упаковкой из ПЭ и ПП.

Еще одно возможное применение — связующее для низкокачественного пластикового вторсырья. По словам Кима, модифицированный полимер мог бы соединять его в более прочный материал. Пока это перспективное направление, а не представленный в исследовании готовый продукт.

Источник исследования: Journal of the American Chemical Society (2026), DOI: 10.1021/jacs.5c21265.