Plast, který se při 90 °C vypaří a po ochlazení znovu vznikne. Vědci ukazují nový způsob chemické recyklace

Plasty jsou symbolem odolnosti, která je při jejich používání výhodou, ale po skončení jejich životnosti se mění v problém. Právě tuto vlastnost se vědci nyní pokusili využít zcela jiným způsobem. Jejich výzkum ukazuje materiálový koncept, v němž není konec životnosti pouze otázkou následného zpracování odpadu, ale součástí samotného návrhu plastu. Výsledek je zajímavý nejen pro vývoj nových polymerů, ale také pro hledání energeticky méně náročných cest, jak vracet použité materiály zpět do výrobního cyklu. 

Za běžným plastem se skrývá jednoduchý, ale zásadní chemický problém. Polymer je tvořen dlouhými řetězci molekul, které vznikají spojením velkého množství menších stavebních jednotek označovaných jako monomery. Právě spojení těchto jednotek dává plastům jejich užitečné vlastnosti, zároveň však znamená, že po skončení životnosti není jednoduché vrátit materiál zpět do původního chemického stavu. U běžných plastů, například polyethylenu, jsou vazby v polymerním řetězci velmi stabilní. Pokud je chceme tepleji rozložit, potřebujeme značné množství energie a výsledkem navíc nebývá čistý původní monomer. 

Materiál s neobvyklou pamětí 

Rešení hledal tým University of Surrey přímo v chemické struktuře polymeru. Výzkumníci připravili poly(1,2 dithiolane), označovaný také jako poly(trimethylendisulfid), jehož základ tvoří pětičlenný cyklický disulfid 1,2 dithiolanu. Tento monomer je za běžných podmínek nestabilní a má tendenci znovu polymerizovat. Vědci této vlastnosti využili k vytvoření polymeru, který lze za vhodných podmínek opačným směrem rozložit zpět na původní monomer.

Při zahřátí na přibližně 80 až 90 °C se polymer začíná rozpadat na původní monomer, tedy 1,2 dithiolane. Ten má při této teplotě plynné skupenství. Na rozdíl od řady jiných chemicky recyklovatelných polymerů proto nezůstává v nádobě jako kapalina, ale ve formě páry se odděluje od zbytku materiálu. Jakmile se dostane do chladnější části systému, zkondenzuje a následně znovu polymerizuje. Vzniká tak opět pevný polymer.

Vědci tím ve skutečnosti vytvořili materiál, který lze převádět z pevné podoby do plynné a následně zpět do pevné podoby prostřednictvím samotné chemické rovnováhy. Nejde tedy pouze o klasické roztavení plastu a jeho následné vytvarování. Při zahřátí dochází k depolymerizaci, tedy k rozpojení polymerních řetězců na jednotlivé monomery. Ty se následně při ochlazení znovu spojí a vytvoří polymerní materiál. 

Změna pohledu na stabilitu polymerů 

Právě v tom spočívá největší inovace. Současné plasty jsou většinou navrženy především tak, aby byly během používání co nejstabilnější. Polyethylen, polypropylen nebo další běžné polymery mají vydržet mechanické namáhání, vodu, teplo a působení celé řady chemických látek. Vlastnost, která je žádoucí během používání, se však na konci životnosti stává problémem. Polymerní řetězce se obtížně rozkládají a jejich opětovné převedení na původní suroviny je energeticky náročné. 

Nový materiál jde opačnou cestou. Jeho chemická struktura je od začátku navržena tak, aby bylo možné polymer relativně snadno rozebrat. Nečeká se tedy, až se podaří najít způsob, jak rozložit již existující extrémně stabilní plast. Místo toho se hledá taková molekulární struktura, která umožní vytvořit materiál s požadovanými vlastnostmi během používání a současně s jednoduchou cestou zpět k jeho stavebním jednotkám. 

To je důležitý rozdíl také ve vztahu k dnešnímu vývoji chemické recyklace. Chemická recyklace totiž není jedna konkrétní technologie. Zahrnuje několik různých přístupů, od depolymerizace přes solvolýzu až po termochemické procesy, jako je pyrolýza nebo zplyňování. Každý z nich pracuje s jinými druhy polymerů a má jiné energetické a technologické nároky. 

Energetické nároky současných technologií 

U pyrolýzy běžných plastů se například pracuje s teplotami řádově ve stovkách stupňů Celsia. Přehledová literatura uvádí pro pyrolýzu polyethylenu přibližně 350 °C, polypropylenu kolem 300 °C a PET přibližně 500 °C. U zplyňování jsou teploty ještě výrazně vyšší a mohou dosahovat přibližně 700 až 1000 °C podle zpracovávaného polymeru a konkrétního procesu. 

Je však důležité nesrovnávat nový materiál přímo s pyrolýzou, jako by šlo o dvě konkurenční technologie zpracování stejného odpadu. Nejde o to, že by bylo možné vzít běžný polyethylen, zahřát jej na 90 °C a získat z něj zpět původní monomer. To možné není. Polyethylen má zcela jinou chemickou strukturu a jeho účinná tepelná depolymerizace vyžaduje podstatně vyšší teploty. 

Rozdíl spočívá v samotném návrhu polymeru. Výzkumníci vytvořili materiál, jehož chemické vazby a vlastnosti monomeru umožňují depolymerizaci při výrazně nižší teplotě. Studie přitom uvádí, že některé jiné chemicky recyklovatelné polymery mohou být depolymerizovány při teplotách pod 200 °C, ale často vyžadují další zpracování získaného monomeru a jeho následnou polymeraci. U některých systémů navíc dochází pouze k částečnému rozkladu. 

Vysoká účinnost laboratorního čištění 

Právě samovolná obnova polymeru po ochlazení proto představuje jednu z nejzajímavějších vlastností nového materiálu. Výzkumníci nemuseli po získání monomeru provést další samostatnou polymerační reakci. Monomer se při ochlazení sám znovu přemění na pevný polymer. Tím odpadá jeden z kroků, který může být u jiných systémů nezbytný. 

Výsledek je pozoruhodný také z hlediska samotné recyklace. V jednom z experimentů vědci zahřáli 65 miligramů polymeru na 90 °C po dobu dvou hodin. Na stěnách nádoby následně získali 58 miligramů polymeru, tedy přibližně 89 % původního množství. Přibližně 5 % zůstalo na dně a dalších 6 % představovaly ztráty způsobené otevřeným uspořádáním experimentu. Získaný polymer bylo možné znovu sublimovat, tedy převést zahřátím přímo z pevného skupenství do plynné fáze, a následně jej opět získat v pevné podobě.

Tento princip může být zajímavý nejen pro samotné odstranění plastového odpadu, ale také pro jeho čištění. Běžné mechanické recyklační procesy dokážou odstranit například nečistoty z povrchu plastu, ale situace je složitější, pokud jsou přísady zabudovány přímo v polymerní matrici. Pak může být nutné použít další chemické procesy. 

Surreyští vědci proto materiál záměrně kontaminovali barvivem Nile red a následně jej podrobili sublimaci. Polymer se odpařil a následně znovu vytvořil jako čistý pevný materiál, zatímco barvivo zůstalo oddělené. Výzkumníci uvádějí, že výsledný produkt zůstal při skladování za běžných podmínek nezměněn po dobu 15 měsíců. 

Snadné nanášení i odstraňování vrstev 

Další zajímavou možnost představují povlaky. Polymer je nerozpustný, hydrofobní a vytváří voděodolnou vrstvu. Vědci jej dokázali nanést na povrch prostřednictvím polymerních par a vytvorit tak vodoodpudivý povlak. Když bylo potřeba vrstvu odstranit, stačilo ji zahřát a polymer se opět převedl do plynné fáze. Materiál tedy může být nejen vyroben a recyklován, ale také nanesen a následně relativně snadno odstraněn. 

Z pohledu průmyslu je přitom velmi důležité zachovat určitou míru opatrnosti. Samotní autoři zdůrazňují, že nejde o náhradu současných plastů ani o řešení globálního problému plastového odpadu. Materiál byl zatím studován především v laboratorních podmínkách a před případným průmyslovým využitím bude nutné ověřit jeho mechanické vlastnosti, dlouhodobou stabilitu, cenu surovin, možnosti výroby ve velkém měřítku i energetickou bilanci celého životního cyklu. 

Cesta k budoucím cirkulárním materiálům 

Důležité bude také zjistit, jak široce lze tento princip využít. Autoři studie ukázali, že 1,2 dithiolane může vytvářet také kopolymery s dalšími látkami, například se styrenem, akryláty, vinylacetátem nebo methylmethakrylátem. Do polymerních řetězců se tím dostávají štěpitelné vazby S−S a C−S, které mohou být základem dalších materiálů s možností řízené depolymerizace. 

Právě tato část výzkumu může být nakonec důležitější než samotný konkrétní polymer. Pokud lze chemickou strukturu navrhovat tak, aby měl materiál během používání požadovanou pevnost, vodoodpudivost nebo další vlastnosti a současně bylo možné jeho polymerní řetězec po skončení životnosti snadno rozebrat, mění se způsob, jakým lze přemýšlet o plastových výrobcích.