Циркуляция пластика, в том числе одноразовых изделий из полиэтилена и других крупнотоннажных полимеров – одна из наиболее социально значимых и «медийных» тем последних десятилетий. Пластик нарушает естественные дренажные системы, убивает животных и выделяет токсичные газы. В мире накоплено уже более 5,5 млрд т полимерных отходов, не попавших в переработку, и только сокращением потребления и сортировкой этот процесс не остановить. В рамках проекта «Полимеры будущего» российские ученые из 5 академических институтов и 3 университетов получили возможность подойти к проблеме с концептуальной позиции, а не просто предложить фрагментарные решения для отдельных стадий жизненного цикла пластика.

3D-печать изделий из биоразлагаемых гелей, реконфигурируемые полимерные сетки для имитации живых тканей, полимерно-почвенная корка для защиты от ветровой эрозии – исследования в рамках единой концепции «Полимеры будущего», предложенной Научным советом по высокомолекулярным соединениям при ОХНМ РАН, третий год ведутся более чем по 20 направлениям. Концепция подразумевает смещение фокуса исследований с достижения отдельных экстремальных характеристик полимеров на «программируемость» их свойств и предсказуемость дальнейшего циркулирования.

Альтернатива сжиганию

«Проектный подход очень важен для поисковой части фундаментальной науки, когда надо проверить интересную идею, но стратегическое видение в рамках отдельных грантов трудно себе позволить. Даже небольшое укрупнение нашей работы за счет гранта Минобрнауки РФ привело к тому, что мы начали мыслить масштабнее. Сегодня ясно, что самые сложные полимерные архитектуры должны предусматривать механизм „разборки” и повторного использования. И назвав проект „Полимеры будущего”, мы позволили себе то, для чего и создавалась Академия наук – смогли заглянуть за горизонт», – рассказывает руководитель Секции химии Отделения химии и наук о материалах РАН академик РАН и активный участник проекта Азиз Мансурович Музафаров.

Комплексный подход заключался в том, что были сформулированы научные задачи по всем отрезкам жизненного цикла полимера – от синтеза мономеров и заканчивая утилизацией. На каждой стадии выдвигалось требование снизить энергетические затраты, обходиться без использования вредных растворителей, высоких температур и т. д. Два десятка подпроектов-участников были сгруппированы по трем стратегическим направлениям: «Управляемо разбираемые системы», «Цифровые безотходные технологии» и «Природозащитные полимеры и технологии». Цель – обеспечить научные основы для эволюции российской полимерной промышленности в экологически чистые производства.

По словам академика Музафарова, в связи с полимерами государство и общество сейчас ожидают от ученых-химиков прежде всего предложений по ресайклингу и «зеленой» утилизации с минимальным углеродным следом (хотя, с точки зрения стратегии, проблему нельзя сводить только к ликвидации накопленного ущерба). В рамках одного из подпроектов программы учеными Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН был предложен оригинальный подход. Это переработка самых массовых полимеров – полиолефинов (полиэтилен, полипропилен и т.п.) в ценные органические кислоты и ацетон путем термоокисления в сверхкритическом диоксиде углерода. Сверхкритический диоксид углерода широко применяется, например, в пищевой промышленности или для обработки текстильных тканей, но для деструкции полимеров метод разработан впервые («Химическая переработка полимеров в сверхкритическом CO₂ и других средах под давлением», рук. М. О. Галлямов, ИНЭОС РАН).

«В рамках программы в целом мы выделили перспективные направления, где используются подходы, свободные от издержек, с которыми связан первичный этап развития полимеров. Сверхкритический CO₂ – это особая среда, где создаются огромные скорости диффузии и внесение туда небольших добавок кислорода приводит к очень активному окислению и расщеплению. Это позволяет делать из полимерных отходов воски, низкомолекулярные олигомеры, которые можно повторно использовать. Важно, что метод низкоэнергозатратный и не предполагает использования органических растворителей», – поясняет Азиз Музафаров.

Сжатый CO₂ в сверхкритическом состоянии подобен по свойствам гексану, но не взрывоопасен, после использования его можно собрать и применять неоднократно. Метод не приводит к вторичному загрязнению, как широко практикующееся сжигание полиолефинов, на выходе получаются чистые вторичные продукты. Пока что это достаточно дорогой способ решения проблемы, но у исследователей есть пространство для уменьшения стоимости процесса.

Смешать несмешиваемое

Проект «Полимеры будущего» в 2020 году стал одним из победителей конкурса грантов Минобрнауки РФ на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития с выделением 100 млн руб. в год в течение трех лет. С учетом масштабов консорциума получилось в среднем по 5 млн. рублей на каждую из двух десятков участвующих научных групп в год. Головной организацией был выбран расположенный в Москве ИНЭОС РАН.

Сам академик Музафаров руководит в нем одним из трех проектов по безотходным технологиям 3D-печати («3D-печать на основе полидиметилсилоксанов», Институт синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН). Но по своему направлению (цифровые безотходные технологии) в качестве наиболее выдающегося результата выделяет работу коллег. Это создание принципиально новых многослоевых – до нескольких тысяч слоев – полимерных материалов методом мультислоевой соэкструзии, т. е. нарезки с одновременным поперечным сжатием («Многослойные полимерные системы: оптические и электронные системы на их основе», рук. С. Н. Чвалун, ИСПМ РАН).

«Экструдер – это основная машина при переработке полимеров, своего рода высокотехнологичная промышленная „мясорубка”, на выходе дающая готовый материал (расплав) для отливки изделий из полимеров. Мультиэкструдерные технологии – это новый этап их развития, когда несколько таких машин объединяются общим фидблоком, где происходит образование слоистого расплава. Далее этот слоистый расплав попадает в умножитель слоёв, который является ключевым элементом мультислоевой экструзионной линии, отличающей её от традиционных соэкструзионных установок, и обеспечивает получение уникальных многослойных структур из разнородных полимеров. Инженерное решение приводит к новой химии: слои становятся настолько тонкими, что фактически остается только поверхность, а на поверхности материал ведет себя совершенно не так, как в блоке. Таким образом, из несмешивающихся полимеров вы можете получить гибридный материал, который обладает совершенно особенными свойствами. Это фактически новый вариант синтеза, который не нуждается в растворителях и свободен от мономеров (Структурные единицы в составе полимеров. – Ред. ). То есть абсолютно новая реальность в получении полимерного материала», – описывает академик происходящее в лаборатории ИСПМ РАН.

Важно, что метод подходит для вторичной переработки полимеров (отходы плюс чистый полимер), позволит делать упаковку с высокими барьерными свойствами без использования фольги (не придется отделять при переработке), а при добавлении лишь одного биодеградируемого ингредиента это важное для экологии свойство будет распространяться на весь композит. Также полученные в ИСПМ пленки обладают необычными оптическими свойствами и перспективны для использования в лазерной технике. По мнению академика Музафарова, в целом открываются широчайшие возможности по созданию полимерных материалов, о которых ученые пока даже не мечтали: «Есть полимеры, которые буквально напрашиваются на то, чтобы сделать из них какой-то гибрид, но химических средств для этого практически нет, или они очень сложны. А здесь мы можем получить, например, смеси силиконов с полиамидами, то есть гидрофобного силоксана и материалов с высокой прочностью, ахиллесова пята которых – как раз чувствительность к влаге».

Взгляд за горизонт

Еще на старте программы руководитель проекта «Полимеры будущего» вице-президент РАН, председатель Научного совета по высокомолекулярным соединениям академик РАН Алексей Ремович Хохлов, имеющий большой опыт руководства крупными научными проектами, в том числе международного уровня, организовал в рамках проекта постоянно действующий семинар – главный инструмент настройки и управления проектом. Ежемесячные встречи для презентации идей, порой не связанных напрямую с проектами, позволяют выйти на более высокий уровень понимания и искать возможные прорывные решения на дальнюю перспективу.

«Западная цивилизация, которая с проблемой полимерных отходов столкнулась раньше, в целом видит ее так. Во-первых, полимеры можно сжигать, и всем это долго очень нравилось, потому что дает дополнительную энергию, хотя и создает нагрузку на атмосферу. Второе – полимеры можно захоранивать, но это плохо, потому что „свалка”. И третье – ресайклинг, переработка, которая рассматривается как самый позитивный вариант, потому что условно снижает потребность в новых полимерах. Но посмотрите, что с полимерами делает природа – это та же триада».

Природа миллионы лет производит, перерабатывает и „захоранивает” созданные ею полимеры, например, целлюлозу. И если посмотреть на пропорции, то, возможно, ресайклинг – не самый перспективный путь. Особенно, если учитывать объемы пластика, уже накопленного в Мировом океане: площадь одного только Большого тихоокеанского мусорного пятна напротив Калифорнии составляет до 1,6 млн кв. км с общей массой пластика более 80 тысяч тонн. Людей пугает сам образ „свалки”, но на семинарах родилась идея посмотреть под новым углом зрения на вариант захоронения уже накопленных полимеров под водой. «Допустим, опустить мусор на дно: при температуре -3 градуса скорость химических реакций резко падает, плюс там практически нет кислорода и ультрафиолета – главных разрушителей полимеров. Получается идеальный материал для подводного строительства, в т. ч. искусственной суши. Вы собираете мусор в океане, измельчаете, добавляете связующее и балластную породу, прессуете – строительный блок готов. Ведь сейчас пластик скапливается на поверхности океана, и хуже ситуация быть уже не может. А предлагаемый подход позволит убрать его на дно в безопасном виде».

Академик Музафаров говорит, что такое осмысление происходит за рамками работы по гранту, но тоже благодаря ему. «Это и критика, и обсуждение, и поддержка – наш проект очень живой организм», – говорит он о взаимодействии между участниками, отмечая, что среди них есть и зарубежные ученые из числа соотечественников. Учитывая высокую общественную значимость темы, на базе ИСПМ РАН в 2021 году также был организован научно-популярный лекторий «Полимеры будущего», где раз в квартал для всех интересующихся темой проводятся открытые онлайн-лекции. Уже прочитаны 4 лекции. То есть проект позволил не только сконцентрировать усилия ученых на решении важнейших проблем современности в области полимеров, но и приступить к большой просветительской работе, без которой решение глобальных проблем попросту невозможно.

Редакция сайта РАН

Фото - Mali Maeder (pexels.com)