Ученые укрепили перерабатываемый пластик
Созданный материал может подвергаться переработке четыре раза с сохранением свойств
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials, группа Эмилио Переса по химии низкоразмерных материалов в IMDEA Nanociencia работает с компанией Nanocore над изучением метода укрепления перерабатываемых пластиков.
Для уменьшения негативного воздействия пластмасс на окружающую среду можно использовать несколько способов, включая переработку и производство более прочных пластмасс. Пластмассы можно условно разделить на две категории.
Во-первых, это термопласты, которые можно плавить и придавать им различные формы, хотя многократное плавление ослабляет их механические свойства. Кроме того, термореактивные пластмассы, состоящие из полимерных цепочек, соединенных химическими связями, устойчивы к плавлению даже при повышенных температурах.
По своим свойствам термореактивные пластмассы превосходят термопласты. Несмотря на свою хрупкость, они обычно обладают большей устойчивостью к ударам и механическим нагрузкам. Термореактивные пластмассы, такие как эпоксидная смола, силикон и меламин, часто используются в строительстве. Инженеры используют армирующие материалы, такие как углеродные волокна, чтобы сделать эти полимеры более прочными.
Они уже используются в производстве чрезвычайно прочных, но трудно поддающихся переработке предметов, таких как спортивное снаряжение и мотоциклетные шлемы.
Исследуемый пластик известен как «ковалентная адаптивная сеть», и хотя его молекулярная структура напоминает термореактивный пластик, он отличается тем, что содержит ковалентные связи между полимерными цепями, которые одновременно прочны и обратимы. В частности, речь идет об иминах, чьи связи динамичны и могут перестраиваться в зависимости от изменения температуры или воды.
Новизна данного исследования заключается в том, что в нем используются механически сцепленные углеродные нанотрубки, или MINTs - производное углеродных нанотрубок с кольцевой молекулой вокруг них. Молекулы кольца и углеродной нанотрубки соединены механически, а не химически, что создает очень прочную связь, но при этом позволяет молекулам перемещаться вдоль нанотрубки.
Исследователи снабдили кольцо двумя точками крепления (двумя аминами), которые образовали ковалентные связи с полимерами. Таким образом, нанотрубка стала структурным компонентом полимерной сети.
Углеродные нанотрубки - это просто лист графена, свернутый сам на себя. Ковалентные связи могут быть использованы для прямого соединения нанотрубки с другими молекулами, что приводит к небольшому разрыву, появлению дефектов и ослаблению трубки.
Стратегия исследователей использует механическую связь - кольцевую молекулу вокруг нанотрубки - для интеграции нанотрубок в полимерную решетку, сохраняя все их свойства и максимально увеличивая передачу нагрузки от матрицы к армированию. Другими словами, сделать лучше было невозможно.
Идея проста: если окружить нанотрубку кольцом, то можно избежать агломерации этих волокон, которая снижает эффективность армирования. Кроме того, кольцо содержит участки взаимодействия с полимером, что улучшает передачу напряжения.
Добавление в полимерную смесь всего 1 % нанотрубок по весу увеличивает модуль Юнга на 77 % и прочность на разрыв на 100 %. Удивительно, но механические свойства этого армированного пластика остаются неизменными после того, как его переплавляют и перерабатывают до четырех раз.
Этот армированный пластик сохраняет свои механические свойства даже после того, как его переплавляют и перерабатывают до четырех раз.
Согласно закону смесей, который регулирует инженерное дело, свойства соединения представляют собой смесь свойств исходных материалов в зависимости от их относительных пропорций. Исследование, проведенное мадридскими учеными, подтверждает, что это справедливо только в тех случаях, когда между двумя соединениями происходит успешный наноскопический перенос механического напряжения. Благодаря усилиям исследовательской группы самый прочный материал - нанотрубки - смог максимально эффективно передавать механическое напряжение от полимеров.
Нанотрубки в пять раз прочнее стали, несмотря на то, что они значительно легче. Пластик не становится прочнее при добавлении большего количества нанотрубок, поскольку они слипаются и становятся менее эффективными. Ковалентная связь между полимером и нанотрубками очень важна для достижения результата.
Наука, стоящая за этим открытием, берет свое начало в 2012 году, когда исследователь Эмилио Перес получил престижный грант «Старт» от Европейского исследовательского совета (ERC) на изучение новой концепции: присоединение молекулярных колец к углеродным нанотрубкам.
Благодаря гранту в 1,5 миллиона евро Перес укрепил свою исследовательскую группу в Институте IMDEA Nanociencia. В течение пяти лет они создавали механические соединения между кольцевыми молекулами и углеродными нанотрубками, изучая характеристики материалов, но пока не концентрируясь на их потенциальном использовании.
В 2017 году Пересу позвонили из датской компании Nanocore ApS, которая занималась передачей результатов в промышленность по производству материалов. Они начали совместную работу над годичным проектом, а позже эксперименты были поддержаны грантом ERC «Proof of Concept». В 2020 году они заключат контракт стоимостью более трех миллионов евро на сотрудничество в области применения углеродных нанотрубок для армирования пластмасс.
Создание пластмасс, столь же прочных, как углеродное волокно, но пригодных для переработки, — важный шаг к более экологичным и устойчивым пластмассам. Например, производство более легких автомобилей и самолетов позволит экономить топливо.