Существует несколько распространенных вариантов утилизации полимеров: захоронение, сжигание, механическая обработка, химические процессы. Первые три несут в себе серьезные экологические угрозы, связанные с образованием микропластика или выделением углекислого газа. Химическая переработка может приводить как к получению мономеров или элементарных звеньев полимерной цепи, так и к высвобождению новых химически продуктов. При всей привлекательности химические методы требуют серьезных экономических затрат.
Функциональный апсайклинг является золотой серединой среди методов утилизации полимерных отходов. Он позволяет сохранить основную полимерную цепь и получить новый материал с высокой добавленной стоимостью за счет придания ему новых свойств. Немаловажное преимущество такого подхода – сохранение свойств исходного полимера. Зачастую данные эффекты достигаются при использовании методов модификации поверхности или превращений полимерной цепи.
Химики Томского политехнического университета больше пяти успешно занимаются тематикой, связанной с разработкой концептуально новых подходов к апсайклингу полимерных отходов. Главный фокус исследований – создание «умных» технологий и материалов для защиты окружающей среды на основе полимерных отходов. Это могут быть сорбенты для очистки воды от техногенных загрязняющих веществ, каталитические системы для фотохимической деградации экотоксикантов, проводящие материалы.
Суть функционального апсайклинга заключается в том, что незначительное изменение в структуре поверхности материала позволяет добиться существенного эффекта. Более того при объединении модифицированного материала с другими можно получить гибридные материалы. Объединение двух материалов с разными свойствами дает не материал с комбинацией этих свойств, а новое свойство, новый эффект. Таким образом можно контролировать процесс и управлять заданными свойствами,
Исследования по получению новых материалов на основе полимеров химиками начато довольно давно. Например, методы трансформации коммерчески доступных полимеров привели к созданию материалов с контролируемой смачиваемостью, которые могут быстро превращаться из гидрофобных (отталкивающих воду) в гидрофильные (впитывающие воду), и наоборот. Публикации по данной теме вышли в журнале Advanced Materials Interfaces (Q2; IF:5,4) и ACS Applied Materials & Interfaces (Q1; IF:9,5). Данные технологии были использованы авторами и для создания полимерного гибридного материала, способного эффективно удалять загрязнения с поверхности воды (Separation and Purification Technology (Q1; IF:8,6).
Фундаментальные разработки в области химии полимеров позволили применить их и для апсайклинга полимерных отходов. Химиками Томского политехнического университета был создан простой в получении сорбент на основе отходов медицинских масок и одноразовых простыней (Journal of Environmental Chemical Engineering, (Q1; IF:7,7). Для этого на материал наносился специальный металлоорганический каркас простым химическим методом. В результате был синтезирован новый материал – супергидробофная олеофильная ткань, впитывающая масла, дизель, красители и другие загрязняющие вещества.
Тем не менее основной находкой для нас стал полиэтилентерефталат (ПЭТ). Это базовый полимер, который применяется для изготовления пластиковых бутылок. Входящая в его состав терефталевая кислота является основным компонентом для получения такого класса соединений, как металлорганические каркасы. Это пористые органические соединения, которые состоят из органических лигандов и ионов металлов. Они обладают рядом полезных свойств, благодаря чему могут выступать, например, сорбентами или катализаторами. Мы выращиваем металлоорганические каркасы на поверхности полимеров ПЭТ, причем сам ПЭТ является источником лиганда для получения каркасов. Оказалось, что с помощью данных методов можно синтезировать новые гибридные материалы, обладающие уникальными свойствами,
Например, композитный материал на основе ПЭТ с металлорганическим каркасом на поверхности может использоваться для сорбции опасных инсектицидов (Applied Materials Today(Q1, IF:8,3). Простое добавление в данную систему специальных плазмон-активных наночастиц позволяет создать гибридный материал, способный не просто поглощать, но и разлагать пестициды под действием солнечного света (Chemical Engineering Journal(Q1, IF:15,1).
Недавно ученые ИШХБМТ предложили перспективный метод функционального апсайклинга ПЭТ для создания проводящих материалов (Journal of Materials Chemistry A (Q1, IF:11,9). На ПЭТ-поверхности они получили металлорганический каркас, который потом превращался в графеноподобный материал под действием лазера. Он способен проводить электричество и эффективно поглощать солнечный свет. Это значит, что за счет энергии солнца будет «запускаться» фототермический эффект.
«Функциональный апсайклинг является альтернативой химическому методу переработки полимеров. К тому же это экономические более обоснованная технология использования вторичного сырья. Использовав дешевые исходные материалы и реагенты, мы можем получать ценный продукт. Метод апсайклинга перспективен для создания генераторов электричества, сорбентов на основе полимеров, сенсорных систем, новых проводящих материалов», — резюмирует Павел Постников.