Пластик для многократной переработки 29.04.2018

Американские химики синтезировали полимерный материал, по своим механическим свойствам и термической устойчивости не уступающий современным пластмассам. Его преимущество в том, что этот материал можно контролируемо перерабатывать, разбирая обратно на отдельные мономеры. Полученные при этом мономеры годятся для новой полимеризации, за счет чего такой материал можно использовать многократно.

Одно из основных достоинств современных пластмасс - их долговечность и устойчивость по отношению к внешним механическим нагрузкам и небольшим изменениям температуры. Однако тот факт, что у пластика со временем практически не меняются химические и механические свойства, имеет очевидные отрицательные последствия.

Именно из-за устойчивости пластик практически невозможно переработать, в результате чего он постепенно загрязняет планету, накапливается в океане и вмешивается в жизнь морских экосистем. Поэтому важной задачей современной химии является поиск таких полимерных материалов, которые с одной стороны обладают нужными физическими свойствами, а с другой - могут быть легко переработаны, после чего их можно будет использовать повторно.

Американские химики из Университета штата Колорадо под руководством Юджина Чена (Eugene Y.-X. Chen) синтезировали новый тип полимерного материала, который обладает физическими свойствами - плотностью, упругостью и термической устойчивостью - на уровне современных пластмасс и при этом может быть многократно использован за счет цикла реакций полимеризации и обратной деполимеризации. Мономером этого соединения стала молекула на основе гамма-бутиролактона, в которой два из атомов углерода дополнительно связаны в циклическую структуру в транс-конформации. Получить такой мономер можно довольно легко и в больших количествах с помощью двухстадийного синтеза из доступных в продаже реактивов.

Последующая полимеризация мономера происходит тоже довольно легко: при комнатной температуре с использованием совсем небольшого количества катализатора (не более одного мольного процента) и всего за несколько минут. При этом можно использовать два различных типа катализатора. В зависимости от выбора одного из них будет образовываться один из двух типов полимеров: с линейной или циклической структурой. Средняя молекулярная масса линейных полимеров составила от 0,5 до 1 мегадальтона, а циклических полимеров - около 80 килодальтон.

По всем своим характеристикам - молекулярной массе, термической устойчивости и механическим свойствам оба типа полимера оказались очень близки к используемым сейчас видам пластика (при этом каждый из полимеров может существовать в двух хиральных конформациях, однако наилучшими свойствами обладала рацемическая смесь двух энантиомеров). Так, температура плавления рацематов как циклического, так и линейного полимера составила около 190 градусов Цельсия, температура стеклования - около 50 градусов Цельсия, а модуль упругости - около 2,7 гигапаскаля, что сравнимо с показателями современных пластиковых материалов, например, биоразлагаемого полилактида.

Основным достоинством синтезированного полимера ученые называют возможность его многократной переработки с помощью деполимеризации, которую можно проводить либо с помощью термолиза при температурах выше 300 градусов Цельсия, либо при более умеренных температурах (около 120 градусов Цельсия) в присутствии хлорида цинка ZnCl2. Выход реакций разложения составил около 97 процентов. Образованные при деполимеризации мономеры по своим свойствам не отличаются от начального состояния, и их можно снова использовать для получения нужного полимерного материала.