Пластиковые отходы превратили в клей, который можно использовать больше десяти раз

Исследователи из Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики США изобрели многоразовый клей из отходов полимеров, который прочнее коммерческих клеев, работает как под водой, так и в сухой среде и склеивает различные материалы, включая дерево, стекло, металл, бумагу и полимеры.

Вдохновленный тем, как мидии упорно прилипают к поверхностям, этот инновационный клей содержит обратимые химические сшивающие агенты , которые позволяют затвердевшему клею размягчаться, отклеиваться и использоваться повторно, в отличие от существующих клеев, которые застывают навсегда после однократного применения.

В современных проектах обычно требуются разные клеи для разных материалов: белый клей для школьных художественных работ, поливинилацетат для переплета книг, полиуретан для изготовления обуви, силикон для герметизации окон и крепления электронных компонентов, а также промышленные эпоксидные смолы для соединения компонентов самолетов и автомобилей.

Единый клей, хорошо зарекомендовавший себя в различных областях применения, может упростить производство и ремонт, а также сократить количество отходов. Это достижение может оказать значительное экономическое влияние на мировой рынок клеев и герметиков, оцениваемый примерно в 87 миллиардов долларов и, по прогнозам, достигающий почти 119 миллиардов долларов к 2032 году.

«Большинство клеев предназначены для одного конкретного применения», — сказал Анисур Рахман, сотрудник отдела исследований и разработок ORNL, который руководил исследованием, опубликованным в журнале Science Advances , совместно с бывшим постдокторантом ORNL Мэри Дэниелсон, ныне доцентом-исследователем в Инновационном институте Университета Теннесси-Оук-Ридж.

«Наш клей может использоваться в самых разных целях, включая конструкционные или самоклеящиеся конструкции, и он надежно работает как во влажной, так и в сухой среде», — сказал он. «Ни один из коммерческих клеев не может использоваться таким образом».

Начав с распространенных полимеров из бутылок для напитков, волокон ткани и упаковочных пленок, исследовательская группа разработала процесс, позволяющий экономить материалы, энергию и деньги. «Мы взяли материал, предназначенный для свалки, и превратили его в нечто ценное», — сказал Дэниелсон.

Исследователи подали заявку на патент на свой универсальный клей.

Как работают обратимые связи

Традиционные конструкционные клеи основаны на неразрывных поперечных связях, которые затрудняют их удаление. «Традиционные клеи наносятся один раз; их нельзя использовать повторно», — сказал Рахман.

«По сути, чтобы отклеить деталь, нужно её полностью разобрать», — добавил Дэниелсон. «Вы повредите и ту часть, к которой приклеиваете, и ту, от которой приклеиваете. Если вы допустите ошибку при склеивании и дадите клею высохнуть, то всё, конец».

В клее ORNL сшивающие агенты действуют как обратимые соединения, подобные липучке. Нагревание разрывает динамические химические связи в полимере, позволяя клею отклеиваться, не повреждая поверхности. По мере охлаждения материала связи восстанавливаются.

«Если что-то повреждено или неправильно установлено, вы можете полностью снять это и установить обратно, сохранив при этом целостность», — сказал Дэниелсон.

Команда более 10 раз отклеивала и снова приклеивала клей, и при этом эффективность клея не снизилась.

«Обычно на рынке конструкционные клеи имеют прочность на сдвиг — показатель адгезии — в диапазоне от 7 до 10 мегапаскалей», — сказал Рахман. «Наши клеи также значительно превосходят этот диапазон, сохраняя при этом возможность многократного использования».

Исследователи также могут извлечь клей химическим путем, используя избыток молекул амина для расщепления клея на мономерные субъединицы. «Мы можем извлечь все химические вещества, использованные в этом клее», — сказал Рахман.

Дизайн, вдохновленный мидиями.

Полимер — это длинная цепь или сеть, состоящая из мономеров, или химических субъединиц одного типа. Не используя растворителей или катализаторов, ученые добавили амин, азотсодержащую химическую группу, к отработанному полимеру и нагрели его до температуры чуть ниже температуры плавления полимера. В этих мягких условиях амин расщепил полимер на мономеры, каждый из которых содержал четыре аминогруппы.

Далее, для разработки адгезива исследователи из ORNL имитировали белки ножки мидии , которые содержат как гидрофильные, так и гидрофобные компоненты, обеспечивающие прочное сцепление даже во влажной среде.

«Мы использовали сшивающий агент, или отвердитель, который содержит в одной молекуле как водолюбивые (гидрофильные), так и водоотталкивающие (гидрофобные) компоненты», — сказал Рахман. «Мы смешиваем отвердитель и мономер. В результате получается адгезивная смола, которая действует подобно белку ножки мидии».

«Для любого клея, представляющего собой сшитую сеть из двух компонентов, требуется время для завершения реакции между ними», — сказал Дэниелсон. «Для ремонта лодок, подводных лодок и трубопроводов наш клей можно наносить под водой, используя ручное давление, до полного застывания».

Процесс отверждения происходит, когда крупный четырехплечий мономер взаимодействует с отвердителем, образующим поперечные связи. Аминная группа мономера реагирует с ацетоацетатной группой отвердителя, образуя смолу или матрицу с гидрофильными и гидрофобными свойствами. Прилипание или отрыв белка зависит от баланса этих свойств.

«Наш клей сохранял прочное сцепление в различных условиях окружающей среды, включая морскую воду, экстремально низкие температуры (100 градусов Цельсия ниже нуля), а также кислые и щелочные среды», — сказал Рахман.

Достижение стало возможным благодаря возможностям национальных лабораторий.

Рахман разработал концепцию преобразования разобранных полимерных отходов в клей. Он и Дэниелсон спланировали и провели эксперименты, а также подготовили черновик статьи. Чуйи Пан, летний стажер из Университета Пенсильвании, помогал в синтезе клея. Томонори Сайто из ORNL и Университета Теннесси в Ноксвилле рецензировал и редактировал черновики рукописи.

Исследователи из ORNL провели важные исследования. Бобби Самптер смоделировал энергию, с которой клей связывался с различными поверхностными материалами.

Каталин Гайнару использовал реологию для характеристики его напряжений и релаксации. Хунхай Чжан и Вильмос Кертес провели масс-спектрометрию для количественного определения различных молекул. Анализ жизненного цикла клея ORNL , проведенный Зорианой Демчук, показал, что его производство более энергоэффективно, чем производство коммерческих клеев.

Применение в области прочных и слабых соединений

Команда также изучала возможность использования этой новаторской химической технологии для совершенствования транспортных средств. Клей, разработанный в ORNL, обеспечивал прочное сцепление между разнородными материалами — важнейшее требование в автомобильной и аэрокосмической отраслях, где соединение композитов с алюминием или сталью представляет собой значительные трудности.

Далее ученые планируют оптимизировать сшивание, чтобы обеспечить более слабые, временные связи для съемных этикеток, клейких повязок, пластырей для доставки лекарств и других применений.

Универсальный высокоэффективный клей ORNL способен обеспечить надежное сцепление в самых разных ситуациях — от самых обыденных до самых необычных. Сфера его применения варьируется от бытовых предметов, требующих бережного удаления, таких как накладные ногти и ценники, до ремонта в экстремальных условиях, включая подводные или космические — в тех случаях, когда специальные клеи могут быть недоступны.

Источник: https://phys.org/news/2026-03-mussel-recycled-plastics-detached-reused.html