В MIT разработали эластичную полиэтиленовую пряжу для повторной переработки

В США средний житель ежегодно выбрасывает около 81 фунта одежды. В совокупности более 11 млн тонн текстиля отправляется на свалки или мусоросжигательные предприятия. При этом массовой системы переработки одежды, сопоставимой со сбором бутылок и банок, пока нет.

Инженеры Массачусетского технологического института предложили один из возможных подходов к этой проблеме — эластичную пряжу на основе полиэтилена. Этот пластик широко применяют для производства упаковки, пакетов, емкостей и других изделий.

По словам исследователей, новую пряжу можно использовать для изготовления легкой эластичной одежды. После эксплуатации материал допускает переплавку и повторное формование в нити или пластиковые детали, включая пуговицы и пряжки.

Результаты работы опубликованы в журнале ACS Materials Letters. Первый автор исследования — Сон Хён Ким. В группу также вошли Светлана Борискина, Дуо Сюй, Владимир Королович, Доминго Флорес-Эрнандес, Каниз Мориам и Даниэль Браконье.

Почему спандекс затрудняет переработку

Обычная эластичная пряжа состоит из упругой полиуретановой сердцевины — спандекса — и более прочной оболочки из полиэстера или нейлона. Такая конструкция обеспечивает нужное сочетание растяжимости и прочности, но одновременно усложняет переработку.

Чтобы вернуть материалы в производственный цикл, оболочку необходимо отделить от сердцевины химическим способом. После этого полиэстер можно расплавить и использовать повторно. Переработать смешанную пряжу целиком без предварительного разделения компонентов нельзя.

«Технологии химической сепарации существуют, но они увеличивают стоимость и сложность процесса, а также обычно требуют токсичных химикатов», — отмечает Светлана Борискина, научный сотрудник кафедры машиностроения MIT.

По ее словам, около 80% текстильных изделий на рынке США содержат спандекс в том или ином количестве. Это существенно ограничивает возможность переработки текстиля в новый текстиль.

Пряжа из двух видов полиэтилена

В 2021 году группа Борискиной уже представила полиэтиленовую пряжу и изучила ее влагоотводящие, пятноотталкивающие и охлаждающие свойства. В новой работе исследователи сосредоточились на прочности, эластичности и возможности многократной переработки.

Для сердцевины выбрали более эластичную смолу на основе полиэтилена, для оболочки — более жесткую. Гранулы каждого материала нагревали примерно до 350 градусов по Фаренгейту, после чего расплав пропускали через экструдеры и получали волокна толщиной с волос.

Затем с помощью промышленной прядильной машины волокна оболочки наматывали вокруг эластичной сердцевины. По конструкции такая пряжа напоминает спандексовую, но оба ее компонента относятся к одному химическому семейству.

Благодаря этому сердцевину и оболочку не требуется разделять перед переплавкой. Материалы можно перерабатывать вместе, а полученное сырье использовать для производства новой пряжи или других пластиковых изделий.

Испытания повторной переработки

Чтобы проверить пригодность материала к повторному использованию, исследователи десять раз расплавляли и заново пряли пряжу. После каждого цикла они измеряли ее механические свойства, в том числе усилие, при котором нить разрывалась.

Испытания показали, что переработанные нити сохраняли прочность исходного материала оболочки. Их можно снова использовать для производства эластичной пряжи, наматывая вокруг новой упругой сердцевины.

Следующий этап работы — изготовление тканых и вязаных материалов. «Теперь у нас есть материал, который можно вязать и ткать», — говорит Борискина.

Перспективы масштабирования

По оценке команды, технологию можно адаптировать к промышленному выпуску пряжи. Для одного текстильного изделия требуются километры нити, поэтому возможность масштабирования остается важным условием практического применения разработки.

Исследователи предполагают, что после использования изделия из полиэтиленовой пряжи можно будет собирать, переплавлять и повторно направлять в производство. Такой подход должен сократить потребность в первичном текстильном сырье, однако для его внедрения потребуется организовать соответствующую систему сбора и переработки.

Работу частично финансировали Центр DEVCOM Soldier Center через Управление армейских исследований США, Управление военно-морских исследований Global через Технологический институт Монтеррея и программа MIT Portugal.

Фото: MIT