Полиуретан (PUR) — незаменимый пластиковый материал, применяемый в матрасах, изоляции холодильников и зданий, обуви, автомобилях, самолётах, лопастях ветряных турбин, кабелях и многих других изделиях. Однако большинство выбрасываемых во всем мире изделий из PUR в конечном итоге сжигается или выбрасывается на свалки. Основные компоненты материала в основном извлекаются из ископаемой нефти, что создаёт значительную экологическую и климатическую проблему. В 2022 году мировой рынок PUR достиг почти 26 миллионов тонн, а прогноз на 2030 год предсказывает почти 31,3 миллиона тонн, причём около 60% будет составлять пена в различных формах.
Существует небольшая, но растущая отрасль, которая химически разлагает (деполимеризует) полиуретан на его исходные основные компоненты — полиол и изоцианат — с целью их повторного использования в качестве сырья для новых полиуретановых изделий. Однако до сих пор их продукция не может конкурировать с «чистыми» материалами из-за высоких затрат на разделение и очистку.
Исследовательская группа из Орхусского университета предлагает метод, основанный на разрушении пенополиуретана кислотой (ацидолиз). В отличие от существующих методов, которые не разделяют разложившийся PUR на полиол и изоцианат, исследователи из AU могут разделить два основных компонента за один раз.
Они нагревают гибкий пенополиуретан до 220°C в реакторе с небольшим количеством янтарной кислоты. После этого используют фильтр, который улавливает один материал и пропускает другой. Проходят именно полиолы, и они делают это по качеству, сопоставимому с первичным полиолом, что позволяет использовать их в новом производстве полиуретана. Твёрдая часть смеси, которая отфильтровывается, преобразуется в так называемый диамин в простом процессе гидролиза, который используется в производстве изоцианатов и, следовательно, PUR.
Таким образом, исследователи могут восстановить до 82% исходного материала из гибкой полиуретановой пены в виде двух отдельных фракций диаминов и полиолов. Учёные опубликовали свои выводы в научном журнале Green Chemistry.
«Этот метод легко масштабировать», — отмечает один из авторов исследования Штеффан Квист Кристенсен, доцент Междисциплинарного центра нанонауки (iNANO) при Орхусском университете. Он видит огромный потенциал переработки отходов пенополиуретана на заводах, использующих его в качестве сырья. Однако перспектива переработки отходов полиуретана требует дальнейшего развития.
Каждый из производителей полиуретановой отрасли использует уникальные формулы для достижения определённых свойств материала для своей продукции. Таким образом, прежде чем можно будет добиться реальной экономии при переработке полиуретана, необходимо решить ряд проблем: сортировка отходов, логистика и сортировка PUR по типам. Деполимеризация — это лишь малая часть решения.
Исследователи AU также протестировали комбинацию ацидолиза и гидролиза на регенерированном пенополиуретане и жёстком пенополиуретане. Однако путь к экономике замкнутого цикла ещё длиннее.
Жёсткий пенополиуретан в основном используется в качестве изоляционного материала, но попытки превратить его в ценное сырьё всё ещё находятся в зачаточном состоянии.
Сейчас исследователи тестируют новую технологию на других полиуретановых материалах, чтобы увидеть, как их можно переработать. Они также изучают, как дикарбоновую кислоту, которая является частью процесса, можно повторно использовать. Кроме того, в планах тестирование переработанных материалов для создания новых продуктов, чтобы показать, что технология действительно может создать круговую экономику.
Полиуретан — это полимер (длинная цепочка молекул), поэтому, когда речь идёт о химическом разрушении полиуретана, это называется деполимеризацией. Янтарная кислота — это природная кислота, она используется как пищевая добавка, так и как исходный материал для нескольких видов пластика. В этом случае янтарная кислота может расщеплять полиуретан (PUR) без использования других химикатов.