چگونه فناوری سازگارکننده در حال تکامل، بازیافت ضایعات پلاستیکی مخلوط را امکان‌پذیر می‌کند؟

تأمین‌کنندگان افزودنی‌ها و دانشگاهیان، تعداد زیادی راه‌حل آماده یا در حال توسعه برای ترکیب پلیمرهای ناسازگار با یکدیگر برای تشکیل مواد با عملکرد بالاتر و پایدارتر دارند. بسیاری از آنها با هدف ارتقاء پلاستیک‌های بازیافتی، اغلب اما نه منحصراً مواد بازیافتی پس از مصرف (PCR) توسعه داده شده‌اند. بسیاری، اما نه همه، از تکنیک‌های پیوند انیدرید مالئیک برای ایجاد پل بین پلیمرهای قطبی و غیرقطبی، یا بین پلیمرهای غیرقطبی اما هنوز ناسازگار (مانند PE و PP) استفاده می‌کنند.

شرکت Intermix Performance Materials مستقر در ایالات متحده، یک شرکت نوپا است که سال گذشته برای تجاری‌سازی توسعه فناوری افزودنی سازگارکننده چند بلوکی اتیلن-پروپیلن با مجوز از دانشگاه کرنل تأسیس شد. این شرکت توسط جف کوتس، استاد شیمی و زیست‌شناسی شیمیایی دانشکده تیش در کرنل، اندرو آریز، تحلیلگر کسب‌وکار و تینگ-وی لین، محقق اصلی، تأسیس شد.

لین می‌گوید: «HDPE و پلی‌پروپیلن ایزوتاکتیک (iPP) بیشترین میزان تولید پلاستیک‌های تجاری در جهان را دارند و خواص نوری مشابهی دارند که فرآیند جداسازی این دو پلاستیک را در مقیاس بزرگ چالش‌برانگیز می‌کند.» با وجود ساختارهای شیمیایی مشابه، HDPE و iPP با یکدیگر ناسازگار هستند و بنابراین هنگام مخلوط شدن مذاب، مواد شکننده و بی‌ارزشی تولید می‌کنند. این امر مانع از راندمان بازیافت این پلاستیک‌ها می‌شود. گزارش شده است که به ترتیب کمتر از 7٪ و 1٪ از وزن HDPE و iPP بازیافت می‌شوند.

از طریق مشارکت با یک شرکت معتبربازیافت کننده پلاستیکشرکت Intermix دسته‌ای از گلوله‌های ساخته شده از طناب و تورهای ماهیگیری قدیمی را که عمدتاً از دریا بازیافت می‌شدند، تهیه کرد. این پلاستیک‌های دریایی نسبت وزنی HDPE به iPP تقریباً ۱:۱ دارند. این شرکت می‌گوید که این مخلوط‌ها شکننده هستند و بدون افزایش طول زیاد، کشش ندارند. با افزودن ۲٪ وزنی سازگارکننده این شرکت، می‌توان چقرمگی را تا بیش از ۸۰۰٪ افزایش طول در نقطه پارگی افزایش داد.

لین می‌گوید مخلوط‌های سازگار HDPE/iPP «اکنون به مواد امیدوارکننده‌ای تبدیل می‌شوند که می‌توانند صرف نظر از ترکیب و عدم تفکیک‌پذیری مخلوط بازیافتی HDPE/iPP، دوباره به محصولات تبدیل شوند. این امر می‌تواند به طور قابل توجهی هزینه بازیافت پلاستیک را کاهش داده و راندمان بازیافت را افزایش دهد.»

اینترمیکس در حال حاضر پنج کارمند دارد که بر تحقیقات محصول و توسعه کسب و کار متمرکز هستند و با تعدادی از تولیدکنندگان ریخته‌گری همکاری می‌کند تا تولید سازگارکننده‌ها را از مقیاس گرم به کیلوگرم افزایش دهد. لین می‌گوید: «تولید محصولات ساخته شده از مخلوط‌های بازیافتی HDPE/iPP ممکن است به زودی امکان‌پذیر شود.»

شرکت شیمیایی نکسام سوئد مفهومی به نام «بازیافت واکنشی» را برای بهبود عملکرد پلیمرهای بازیافتی مخلوط که بازیافت آنها دشوار است، توسعه داده است. یک نمونه، پلی‌پروپیلن بازیافتی حاوی HDPE است. لارس اوهرن، مدیر ارشد بازاریابی این شرکت، می‌گوید: «نکسامیت R201 با پلیمر واکنش می‌دهد تا ترکیبی از PP/PE تشکیل دهد که سازگاری PP و PE را فراهم می‌کند. آزمایش‌های کششی برای ترکیبات 85٪ rPP و 15٪ rHDPE، تغییرات کمتری را نشان داد.»

مثال دیگری از کاربرد، پلی‌اتیلن حاوی پلی‌آمید است. وقتی Nexamite R405 به ترکیبی از ۹۳٪ HDPE و ۷٪ PA6 اضافه شد، آزمایش‌های کششی بهبود خواص مکانیکی و ظاهر سطح را نشان داد. تنش تسلیم نیز بهبود یافت و گفته می‌شود که استحکام شکست آن با HDPE خالص قابل مقایسه است.

اُهرن واکنش شیمیایی خاص مورد استفاده را فاش نکرد، اما گفت که بر اساس پیوند انیدرید مالئیک نیست. او می‌گوید: «این روش روی پلی‌اولفین‌ها کار می‌کند، اما می‌تواند با پلی‌کاندنسیت‌ها نیز پل بزند و واکنش دهد. مانند تمام اکستروژن‌های واکنشی، برای رسیدن به بهترین نتیجه به ترکیب و انرژی ورودی مناسب نیاز دارید.» نکسامیت R201 و R405 هر دو به صورت مستربچ موجود هستند.

جدیدترین محصول اضافه شده به سبد محصولات شرکت Nordic Grafting (NGC)، سازگارکننده Acti-Tech 16MA11F است که بر پایه انیدرید مالئیک پیوندی (MA) Vistamaxx، یک کوپلیمر نیمه بلوری از ExxonMobil، ساخته شده است. طبق اعلام NGC، که مجوز این فناوری را به ExxonMobil داده است، این افزودنی جدید با مقررات تماس با مواد غذایی EU 10/2011 مطابقت دارد و یک سازگارکننده جهانی با قابلیت افزودن آسان را در اختیار بازیافت‌کنندگان و فرآوری‌کنندگان قرار می‌دهد تا ارزش آمیزه‌های حاوی انواع پلیمرهای بسته‌بندی، از جمله پلی‌الفین‌ها، EVOH، PA و PET را افزایش دهد.

محصولات Acti-Tech را می‌توان در تمام مراحل فرآیند بازیافت اضافه کرد: در طول بازیافت داخلی یا قبل از مصرف توسط قالب‌ساز، در طول گرانول‌سازی مجدد با یا بدون فیلتراسیون توسط بازیافت‌کننده، یا در طول گرانول‌سازی مجدد توسط بازیافت‌کننده یا اصلاح‌کننده. این شرکت می‌گوید: «این محصول، راه‌حل ایده‌آلی برای بازیافت مجدد مواد اولیه پلیمری ترکیبی از بازیافت پس از صنعتی (PIR) یا بازیافت پس از مصرف (PCR) و همچنین ضایعات داخلی است و امکان استفاده از این پلاستیک‌های بازیافتی را در محصولات جدید یا موجود بدون به خطر انداختن عملکرد نهایی فراهم می‌کند.»

طبق گزارش NGC، Acti-Tech 16MA11F پراکندگی بهبود یافته و اندازه فاز پراکنده کاهش یافته ذرات PA و PET را در زیرلایه‌های پلی‌اولفین نشان می‌دهد (نسبت معمول PA/PE برابر با 40/60). کوئنتین لو پیوف، مدیر توسعه تجاری این شرکت، می‌گوید: «علاوه بر این، افزودن 4٪ سازگارکننده Acti-Tech 16MA11F به فیلم‌های سدگر بازیافتی (LDPE 60٪ / PA 30٪ / EVOH 10٪) منجر به بازیابی بیشتر فیلم و خواص نوری در مقایسه با مخلوط‌های سازگار نشده و هزینه کمتر شد.»

افزودنی‌های Acti-Tech در حال حاضر در انواع ضایعات پیش از مصرف، پس از تولید و پس از مصرف، از جمله بسته‌بندی‌های فیلم چندلایه مانع و همچنین آستین‌های شرینک، ظروف مواد شیمیایی آرایشی و بهداشتی قالب‌گیری شده با دمش، بسته‌بندی‌های سفت و سخت، لوله‌ها و شیلنگ‌های تقویت‌شده/چندلایه، تورهای ماهیگیری، حصیر و فرش، آزمایش می‌شوند.

طبق گفته‌ی Le Piouff، Acti-Tech 16MA11F همچنین می‌تواند به عنوان عامل اتصال برای مواد پایه زیستی (نشاسته، سلولز)، کامپوزیت چوب (WPC) و الیاف طبیعی (NFC) استفاده شود. او می‌گوید: «چندین کاربرد با استفاده از این سازگارکننده‌ی جهانی در ماه‌های آینده تجاری‌سازی خواهد شد.»

گسترش دسترسی

شرکت Polyscope Polymers مستقر در هلند، که تجارت اصلی آن بر پایه استایرن-مالئیک انیدرید است، ادعا می‌کند که سهم بازار خود را در این بخش طی دهه گذشته به طور قابل توجهی افزایش داده است. انتظار می‌رود خرید این شرکت توسط Vertellus در اوایل سال جاری، از جاه‌طلبی‌های رشد آینده آن پشتیبانی کند. پاتریک موزرز، مدیرعامل Polyscope، گفت: «با این خرید، Polyscope حضور خود را در بازار افزودنی‌های تخصصی گسترش می‌دهد و ما قادر خواهیم بود از منابع جهانی، قابلیت‌ها و موقعیت رهبری قوی Vertellus در بازار برای خدمت‌رسانی بهتر به مشتریان فعلی و جدید خود استفاده کنیم.»

هم‌افزایی‌های بالقوه بین سبد محصولات Polyscope و Vertellus در حال حاضر در دست بررسی است. موزرز می‌گوید: «هم‌افزایی‌های جدید همچنان در حال ظهور خواهند بود، اما کوپلیمر اتیلن MA ZeMac که توسط Vertellus ارائه می‌شود، ثابت کرده است که مکمل بسیار خوبی برای محصولات فعلی Polyscope است.»

او گفت: «ترکیب افزودنی‌های ما به ما کمک می‌کند تا به سوالات مشتریانمان در مورد بهینه‌سازی ترکیبات Xibond پاسخ دهیم.» ما در حال حاضر شاهد افزایش تقاضا برای راه‌حل‌های پایدارتر هستیم. به عنوان مثال، ما تعدادی پروژه را برای پشتیبانی از پردازش پلاستیک‌های زیستی در ترکیبات PLA/PBAT با افزودنی‌های خود آغاز کرده‌ایم. در این پروژه، سازگارکننده‌های Xibond ما برای دستیابی به عملکرد بهینه در کاربردها و توسعه‌ها، از جمله حرکت از کیسه‌های PE سنتی به کیسه‌های خرید زیست‌مواد، بسیار مهم هستند.»

موزرز توضیح می‌دهد: «علاوه بر این، ما به طور فزاینده‌ای شاهد فرصت‌هایی برای ارائه راه‌حل‌هایی برای بازیافت پلیمرهای مختلف هستیم. برخی از مشتریان ما حتی دریافته‌اند که سازگارکننده‌های ما به ترکیب «مواد درهم‌وبرهم پلاستیکی» با ABS کمک می‌کنند تا آمیزه‌هایی ساخته شوند که می‌توانند آمیزه‌های PET/ABS را برای کاربردهایی مانند محفظه‌های الکتریکی در دسترس قرار دهند.»

«در نهایت، ما در مورد مدل خدمات Xibox تجربه کسب کرده‌ایم، که از آن برای کمک به مشتریان خود در سرعت بخشیدن به توسعه محصول، کاهش هفته‌ها و در برخی موارد ماه‌ها از فرآیند توسعه استفاده می‌کنیم. ما از اکسترودرهای کوچک رومیزی برای انجام غربالگری سریع فرمولاسیون‌های مشتریان خود استفاده می‌کنیم.»

گفته می‌شود که مفهوم غربالگری Xibox توسط چندین مشتری که با چالش بازیافت مواد مختلف مواجه هستند، پذیرفته شده است.
محصولات Olebond شرکت Tisan Engineering Plastics ترکیه، پلیمرهای پیوند شده با انیدرید مالئیک هستند که با اکستروژن واکنشی تولید می‌شوند. این شرکت ادعا می‌کند: «بسته به سطح پیوند و نوع پلیمر، Olebond با عمل به عنوان سازگارکننده، عامل اتصال، اصلاح‌کننده ضربه و چسب، به بهبود خواص مواد کمک می‌کند.»

گرید Olebond 7401 بر پایه PP با مقدار زیادی اسید مالئیک است که به عنوان عامل اتصال بین پلیمر و پرکننده عمل می‌کند. این شرکت می‌گوید که گرید 7401 همچنین به بهبود خواص مکانیکی مخلوط‌های PP و پلیمرهای ناسازگار مانند PA کمک می‌کند.
گرید اولِباند ۷۴۰۲ به عنوان سازگارکننده و عامل اتصال در کاربردهایی مانند مواد کابل بدون هالوژن، لوله‌های چندلایه، لمینت‌ها و مخلوط‌های پلی‌اتیلن با سایر پلیمرها استفاده می‌شود. گفته می‌شود که اولِباند ۷۴۰۲ به عنوان یک سازگارکننده، چسبندگی بین فازی پلی‌اتیلن را به پلیمرهایی مانند PA و سایر پلی‌اولفین‌ها بهبود می‌بخشد. تیسان می‌گوید: "اولِباند ۷۴۰۲ پراکندگی بهینه‌ای بین پرکننده‌های معدنی، الیاف و زیرلایه‌های پلیمری ایجاد می‌کند و خواص مکانیکی پلاستیک‌های اصلاح‌شده را بهبود می‌بخشد. به عنوان مثال، وقتی در مواد اصلاح‌شده پر شده با تالک استفاده می‌شود، اولِباند ۷۴۰۲ پراکندگی تالک را دو برابر می‌کند."

سایر گریدهای اولباند شامل محصولات مبتنی بر ABS و EVA هستند که می‌توانند به عنوان سازگارکننده در محصولات مختلف استفاده شوند. 7404، ABS پیوند خورده با انیدرید مالئیک و 7405، اتیلن وینیل استات (EVA) پیوند خورده با انیدرید مالئیک است.
شرکت کره‌ای SK Functional Polymer (SKFP) طیف کاملی از سازگارکننده‌ها و شتاب‌دهنده‌های بازیافت را ارائه می‌دهد که گفته می‌شود کاربران را قادر می‌سازد ضایعات پلاستیکی مخلوط را به مواد با ارزش بالا تبدیل کنند (این شرکت از طریق خرید کسب و کار پلی‌الفین‌های کاربردی Arkema توسط SK Geo Centric در سال ۲۰۲۰ تأسیس شد).

لولیتا هاگل، مدیر توسعه کسب و کار این شرکت در فرانسه، می‌گوید: «SKFP بخش زیادی از تلاش‌های تحقیقاتی خود را بر توسعه پلی‌الفین‌های واکنش‌پذیر متمرکز کرده است که آمیزه‌های پلاستیکی بازیافتی مکانیکی را سازگار می‌کنند. ترپلیمرهای واکنش‌پذیر Lotader و رزین‌های پیوندی Orevac به طور گسترده به عنوان سازگارکننده برای آمیزه‌های مختلف استفاده می‌شوند. SKFP نه تنها راه‌حل‌هایی برای محلول‌های بازیافتی برای آمیزه‌هایی مانند rPET/rPE، rPET/rPP، rPA/rPE، rPA/rPP، rPA/rPET و ... دارد، بلکه برای آمیزه‌های PE/EVOH نیز ارائه می‌دهد.»

گرید اسید مالئیک Lotader 4210 به صورت تجاری برای ارتقاء ضایعات چند لایه PE و EVOH بازیافتی در دسترس است (ماده نهایی محدود به کاربردهای غیر غذایی است). SKFP می‌گوید در یک نمونه موفق دیگر، Lotader AX در PET بازیافتی آلوده به پلی‌اولفین‌هایی که در طول فرآیند مرتب‌سازی به طور کامل حذف نشده‌اند، استفاده می‌شود.

SKFP می‌گوید که همچنین نشان داده است که طیف جدید کوپلیمرهای آکریلات Lotryl T بسیار ناهمگن آن، یک راه حل تقویت کننده بسیار کارآمد برای رزین‌های استایرن بازیافتی است که خواص ضربه پذیری قابل توجهی را بهبود می‌بخشد. این شرکت همچنین با ترکیب کوپلیمرهای بسیار قطبی Lotryl غیر واکنشی با Lotader AX واکنش پذیر، راه حل‌هایی برای بهبود مقاومت در برابر ضربه و تعدیل ویسکوزیته مواد rABS ارائه می‌دهد. هاگل می‌گوید: "ترکیب قطبیت و واکنش پذیری این رزین‌ها، کلید ارتقاء موفقیت آمیز ضایعات پلاستیکی بازیافتی است."

گفته می‌شود پلی‌الفین‌های پیوندی Orevac به طور گسترده به عنوان عوامل اتصال برای مواد اصلاح‌شده PP و PE پر شده استفاده می‌شوند. طیف محصولات شامل PP پیوندی، HDPE/LLDPE پیوندی و EVA پیوندی است. میزان انیدرید مالئیک واکنش‌پذیر در این محصولات متفاوت است، اما هرچه میزان آن بیشتر باشد، به عنوان عوامل اتصال مؤثرتر هستند. آنها برای استفاده با ATH، MDH، سایر پرکننده‌های معدنی و همچنین الیاف شیشه و طبیعی مناسب هستند.

رئیس پتروشیمی، سالواتوره مونته، می‌گوید سازگاری پلیمرهای مختلف را می‌توان با استفاده از پلیمرهای پیوند واکنشی به دست آورد: مانند PP پیوند شده با انیدرید مالئیک، کوپلیمرهای دوقطبی (مثل SEBS)، آغازگرهای پیوند رادیکال آزاد (مثل دی‌ایزوپروپیل بنزن پراکسید) و عوامل اتصال آلی-فلزی (مثل تیتانات‌ها). اکثر تولیدکنندگان اصلاح‌کننده‌ها فقط زمانی عوامل اتصال تیتانات هترواتمیک را در نظر می‌گیرند که مشکلی با پرکننده‌ها یا چسبندگی به زیرلایه‌های مختلف وجود داشته باشد. اما در واقع، آنها کاتالیزورهای پایدار حرارتی هستند که می‌توانند پلیمرهای مختلف را در مذاب اکسترودر دوباره پلیمریزه کنند، همانطور که کاتالیزورهای تیتانوسن و ZN برای پلیمریزاسیون مونومر استفاده می‌شوند.

او گفت: «یکی از مزایای کاتالیزور تیتانات هترواتمیک این است که پلیمر حاصل در دماهای پایین‌تر سریع‌تر جریان می‌یابد، با افزایش جزئی در استحکام کششی و افزایش قابل توجه در ازدیاد طول. استفاده از افزودن 0.2 درصد وزنی کاتالیزور برای کاهش دمای پردازش، راهی جدید برای گسترش پنجره پردازش برای پلیمرهای مختلف، مانند PC که معمولاً به دمای پردازش بالا (بالای 300 درجه سانتیگراد) نیاز دارد، و PVC که معمولاً به گرما حساس است، می‌باشد.»

مونته اشاره می‌کند که با این میزان افزودن، این افزودنی خروجی اکستروژن پروفیل محفظه تراشه کامپیوتری uPVC شفاف را در دمای پردازش کاهش‌یافته ۴۷ درجه سانتیگراد دو برابر کرد. همچنین جریان مذاب را در دمای پردازش کاهش‌یافته ۱۰۰ درجه سانتیگراد برای قالب‌گیری تزریقی اصلاح‌کننده PC تقویت‌شده با ۴۰٪ الیاف شیشه که مشتریان سال‌هاست از آن برای تولید پایه‌های سنگ آسیاب با قالب‌گیری اصلاح‌کننده روی ورق‌های فولادی استفاده می‌کنند، بهبود می‌بخشد.

شرکت داو (Dow) که در حال توسعه محصولات دیگری برای پشتیبانی از بازیافت ترکیبات مواد ناسازگار است، می‌گوید اصلاح‌کننده‌ها و سازگارکننده‌ها نقش کلیدی در تغییر از اقتصاد خطی به اقتصاد چرخشی ایفا خواهند کرد. ادعا می‌شود اصلاح‌کننده پلیمری Retain 3000 این شرکت که برای بازیافت فیلم‌های پسا صنعتی حاوی EVOH طراحی شده است، ژل شدن را به حداقل می‌رساند، در حالی که گونه Fusabond به عنوان اصلاح‌کننده ضربه و سازگارکننده در پلی‌اولفین‌های بازیافتی پس از مصرف استفاده می‌شود.