مستربچ‌های افزودنی جهت بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی در بازیافت محصولات پلیمری (بخش اول)

    با افزایش مصرف محصولات پلیمری، نیاز به تولید مواد اولیه پلیمری نیز رشد هم‌سویی دارد. می‌دانیم که اکثر پلیمرها از منابع پتروشیمیایی تهیه می‌‌شوند که به ‌عنوان منابع تجدیدناپذیر درنظر گرفته می‌‌‌شوند. از سوی دیگر، آلودگی محیط‌‌زیست ناشی از محصولات پلیمری رهاشده در طبیعت رو به افزونی‌‌­ست. یک راه‌‌‌حل کارآمد برای پاسخ‌گویی به نیاز مواد اولیه پلیمری و هم‌چنین تخریب محیط‌ زیست، بازیافت محصولات پلیمری است. در روش بازیافت پلیمرها، زباله‌‌های پلیمری، پس از دسته‌‌بندی و شستشو، طی فرآیندهایی دوباره گرما می‌‌بینند و شکل می‌‌گیرند. این روش سبب می‌شود که بتوانیم زباله‌‌ها و انرژی را خیلی خوب مدیریت کرده و هم‌چنین از منابع طبیعی محافظت کنیم [1].

موانع موجود در بازیافت محصولات پلیمری

    از لحاظ تئوری همه‌ پلیمرها را می‌توان بازیافت کرد، اما در عمل موانعی وجود دارد که می‌تواند این فرآیند را با مشکل مواجه کند. متاسفانه این فرآیند همیشه از لحاظ زیست‌محیطی، اقتصادی و فنی مقرون‌به‌صرفه نیست. چند دلیل عمده در ادامه بررسی می‌شوند:

• در بیش‌تر مواقع، محصولات پلیمری شامل چند نوع پلیمر هستند و چندین لایه دارند که جداسازی آنها مشکل است و هزینه زیادی دارد.
• پلیمرها بعضی اوقات توسط غذا و یا مواد دیگر آلوده می‌شوند و رزینی که قصد داریم تولید کنیم خیلی تمیز نیست که قابل استفاده باشد.
• برای ساخت و استفاده از امکاناتی که در بازیافت استفاده می‌شود، بایستی میلیون‌ها دلار خرج ‌کرد و درصورتی سودمند است که روزانه مقدار بسیار زیادی از مواد را بازیافت کنیم. مقادیر بسیار کم سبب می‌شود که فرآیند بازیافت، اقتصادی و سودمند نباشد که به ‌دلیل کارآیی کم و هزینه‌‌های زیاد است.

    با وجود این محدودیت‌ها، فرآیند بازیافت همچنان قابل انجام است و می‌توان محصولات کاربردی تولید کرد. به‌عنوان مثال، همان ظروف شیری که مصرف می‌کنیم، بطری‌های پلاستیکی، کیسه­‌های فروشگاهی و… می‌توانند به‌وسیله بازیافت، به محصولات قابل‌ استفاده تبدیل شوند.

پلیمرهای قابل بازیافت

1. پلی اتیلن ترفتالات PET:

    متداول‌ترین پلیمری که در حال حاضر بازیافت می‌شود PET است. با این‌ وجود، بعضی از کشورها همچنان به رسیدن به یک نرخ بازیافت مناسب مشکل دارند. به‌عنوان مثال، کشورهای اروپایی، هند و کره‌جنوبی به نرخ بالای 50 درصد رسیده‌اند، اما کشورهای چین و آمریکا هنوز مقادیر بسیار کمی از PET‌های مصرفی را بازیافت می‌کنند.

    آخرین آمارهای جهانی که در سال 2011 منتشر شده است، به ما می‌گوید که تقریباً 7.5 میلیون تن از PET‌ها جمع‌آوری شده است. اما این ‌مواد به چه‌ چیزهایی تبدیل می‌شوند؟ بخش اعظمی از آنها به اقلامی تبدیل می‌شوند که در صنعت مُد قابل ‌استفاده‌ هستند. از میان محصولاتی که می‌توانیم تولید کنیم، لباس‌های پشمی، کوله‌پشتی و حتی فرش‌ها هستند. نکته جالب این ا‌ست که چند بطری پلاستیکی که بازیافت می‌‌شود، می‌تواند به یک تیشرت زیبا تبدیل شود. در فرآیند بازیافت، ظروف PET به تکه‌های کوچکی تبدیل شده و سپس مثل نخ ریسیده می‌‌شوند و می‌‌توانند به‌عنوان ماده اولیه در تولید پوشاک و صنایع نساجی استفاده شوند. همچنین بطری‌های PET می‌توانند دوباره به بطری‌های PET تبدیل شوند! درحقیقت آنها از پلیمرهایی هستند که می‌توانند بارها و بارها به همان شکل بازیافت شوند.

شکل 1. یک بطری شامپو که از بازیافت PET به‌وجود آمده است [2].

    از دیگر کاربردهای PET‌های بازیافتی می‌توانیم به ساخت خانه اشاره کنیم. به‌عنوان مثال، خانه‌‌ای در کانادا با ذوب کردن 600000 بطری‌ پلاستیکی و قالب‌ریزی آنها ساخته شده است.

شکل 2. خانه‌ ساخته‌شده با PET بازیافتی [3].

2. پلی‌اتیلن HDPE:

    HDPE برای بازیافت، یکی از آسان‌ترین پلیمرها شناخته شده و در اکثر مراکز بازیافت پذیرفته می‌شود. در آمریکا نرخ بازیافت برای این ماده حدود 30 درصد است. هدف از بازیافت HDPE کاربرد برای ظروف غیر خوراکی است؛ مانند شوینده‌‌ها، پاک‌کننده‌‌های خانگی و… . هم‌چنین HDPE رنگ‌ شده در تولید لوله‌‌ها کاربرد دارد. در بعضی از موارد، HDPE بازیافتی می‌‌تواند به محصولات دیگری هم‌چون نیمکت‌‌ها و سایر محصولات پلاستیکی بادوام تبدیل شود.

3. پلی‌اتیلن LDPE:

    پلی‌اتیلن LDPE برای تولید کیسه‌‌‌‌های پلاستیکی‌ که توسط فروشگاه‌‌‌‌های مواد غذایی و خرده‌‌‌‌فروش‌ها به مردم داده می‌‌‌‌شود، استفاده دارد. از لحاظ فنی، LDPE می‌تواند بازیافت شود اما همان‌طور که قبلاً گفته شد، بازیافت باید از لحاظ اقتصادی به‌‌صرفه باشد. محصولات تولیدی با LDPE سبک و ارزان‌قیمت هستند و بازیافت آنها شاید از لحاظ اقتصادی توجیه‌پذیر نباشد. هم‌چنین، کیسه‌‌های پلاستیکی در دستگاه‌‌های بازیافت دچار گره‌‌‌خوردگی می‌‌‌شوند که فرآیند بازیافت را با مشکل مواجه می‌‌کنند. باوجود این مشکلات، از LDPE بازیافتی می‌توان در فیلم‌‌‌های بسته‌‌بندی استفاده کرد.

4. پلی پروپیلن PP:

    پلی‌پروپیلن که به‌اختصار PP نامیده می‌شود، یکی از مواد مورد استفاده در صنعت بسته‌بندی است و تنها بین 3 تا 5 درصد از آن در آمریکا بازیافت می‌‌شود و بیش‌تر آنها به‌سمت محل دفن زباله می‌‌‌رود. تخریب و تجزیه‌ شدن آن حدود 20 تا 30 سال زمان‌بر است. ممکن است از خود بپرسیم که اگر این ماده بازیافت می‌‌شود، چرا آن را دور می‌‌اندازیم؟ متاسفانه از لحاظ اقتصادی به‌‌صرفه نیست که آن را بازیافت کنیم. بازیافت آن بسیار سخت و گران است و هم‌چنین خلاص‌شدن از بویی که دارد بسیار سخت است. PP بازیافت‌شده به‌رنگ خاکستری و یا مشکی دیده می‌‌شود که برای بسته‌بندی اصلاً مناسب نیست. به‌ هر حال، PP بازیافت‌شده برای ساخت قطعات اتومبیل، نیمکت پارک‌‌ها، سرعت‌گیرها و… استفاده می‌‌‌شود.

5. پلی‌‌استایرن PS:

    بازیافت پلی‌‌‌استایرن بسیار سخت است اما غیرممکن نیست. همان‌طور که می‌دانیم، پلی‌‌استایرن برای صنعت بسته‌‌‌بندی غذایی استفاده می‌‌شود و شامل آلودگی‌‌‌های فراوان از مواد غذایی است که بازیافت آن را بسیار سخت می‌‌‌کند.

    در جدول زیر خلاصه‌ای از کاربردهای پلیمرهای بازیافت‌شده دسته­‌بندی شده است:

جدول 1. کاربرد پلیمرهای بازیافت‌شده [4].

    با توجه به آمارهای منتشرشده، تولید زباله‌‌‌های پلیمری در جهان رو به ‌افزایش است که در شکل 3، میزان تولید زباله‌‌های پلیمری از سال 1950 تا 2015 به‌‌تصویر کشیده شده است.

شکل 3. میزان تولید زباله‌‌های پلیمری در جهان از سال 1950 تا 2015 [5].

    تا قبل از سال 1980، بازیافت زباله‌‌‌های پلیمری قابل چشم‌‌پوشی بود، به‌ این معنی که 100 درصد زباله‌‌‌های پلیمری دور ریخته می‌‌‌شدند. پس از آن بخشی از زباله‌‌ها سوزانده می‌شدند و از سال 1990 بازیافت می‌‌شوند. این نرخ با سرعت 0.7 درصد بر سال افزایش پیدا کرده است، به‌‌طوری‌که تخمین زده می‌شود که 55 درصد زباله‌‌های پلیمری در جهان دور ریخته می‌شوند، 25 درصد سوزانده و 20 درصد هم بازیافت می‌‌‌شوند. انتظار می‌‌رود که این آمار تا سال 2050 به 50 درصد سوزاندن، 44 درصد بازیافت و تنها 6 درصد دورریز برسد. در نمودارهای زیر، روند مذکور مشاهده می‌شود (شکل 4).

شکل 4. میزان بازیافت، سوزانده‌‌شدن و دورریز زباله‌‌های پلیمری [6].

    ممکن است این سؤال ایجاد شود که سهم هر کدام از پلیمرها در فرآیند تولید و بازیافت چه میزان است؟ همان‌طور که در شکل 5 مشاهده می‌شود، بیش‌ترین درصد تولید پلیمرها به پلیمرهای پلی‌­اتیلنی اختصاص دارد. پس از آن پلی­‌پروپیلن و پلی­‌اتیلن ترفتالات در جایگاه­‌های بعدی هستند.

شکل 5. درصد میزان تولید پلیمرها در جهان.

    طبق آمارهای جمع‌آوری‌شده که در شکل 6 نشان داده شده است، PET بیش‌ترین سهم در بازیافت محصولات پلیمری را دارد و پس از آن پلی‌­اتیلن جایگاه دوم را به خود اختصاص داده است.

شکل 6. میزان درصد بازیافت پلیمرهای مختلف. 

بررسی خواص مکانیکی پلی‌‌الفین‌‌های بازیافت‌‌شده

    اگر چه بازیافت محصولات پلیمری برای محیط‌ زیست و اقتصاد مفید است، اما هدف اصلی گرفتن همان کارآیی پلیمرهای خام (virgin) (دست‌نخورده) در پلیمرهای بازیافت‌شده است. بهترین نوع بازیافت برای داشتن حداکثر کارآمدی انرژی و حداقل پیامدهای زیست‌محیطی، بازیافت از نوع مکانیکی است. با این‌ حال، یک‌سری تفاوت بین پلیمرهای دست‌‌نخورده و بازیافتی وجود دارد. به‌دلیل تغییرات ساختاری و وجود ناخالصی‌ها در پلیمر و رندر آن، رسیدن به یک بازیافت با کیفیت سخت است. این‌که پلیمر بازیافت‌شده برای به‌‌دست آوردن کاربردهای جدید مناسب است یا خیر، توسط تست‌‌های مکانیکی (مانند تست کشش، قدرت ضربه‌‌پذیری) و تست‌های فیزیکی (مثل پایداری هیدرولیکی، زبری سطح) و تست‌‌های عملیاتی (اکستروژن، قالب‌‌گیری) در شرایط استاندارد سنجیده می‌‌شود. وقتی تست‌های بالا صورت گیرد، اکثر پلیمرهای بازیافتی الزاماتی که برای کاربردهای مختلف را نیاز دارند برآورده نمی‌‌کنند، مگر این‌که از افزودنی‌‌هایی استفاده کنیم که خواص آنها را بهبود ببخشد. با این‌ حال برای فهمیدن این‌که چه ‌مقدار پلیمرهای بازیافتی از خواص مدنظر فاصله دارند، چند نمونه را بررسی می‌کنیم:

• PP: جرم مولکولی پلی‌پروپیلن با پردازش مجدد و بازیافت به‌طرز قابل‌توجهی با تأثیر بر خواص مکانیکی کاهش پیدا می‌کند. به‌عنوان مثال یک محفظه باتری که از مواد بازیافتی تولید شده بود، تنها 16 روز طول کشید تا بشکند، اما باتری تولیدشده با پلی‌پروپلین دست نخورده 38 روز را مقاومت کرد. کشیدگی طول نمونه با پلیمر دست‌نخورده در هنگام شکست 680 درصد، اما برای نمونه بازیافتی تنها 20 درصد بود.
• PE: پلی‌اتیلن‌ها با پردازش مجدد و پیرشدگی، تمایل دارند که اتصال عرضی (cross-link) تشکیل دهند. مهم‌ترین مشکلاتی که پلی‌اتیلن‌ها در فضای بیرون دارند، ترک خوردن و شکستگی است. به‌عنوان مثال سطل زباله‌ای که از HDPE دست‌نخورده ساخته شده بود در تست ضربه کششی (tensile impact) دارای استحکام 404 KJ/m² بود، درحالی که نمونه بازیافتی آن دارای استحکام 291 KJ/m² است.
• PS: پلی‌استایرن‌‌ها هنگامی که درمعرض حرارت قرار می‌‌گیرند، جرم مولکولی آنها کاهش می‌یابد و هم‌چنین تغییر رنگ در آنها مشاهده می‌شود.

    از این‌رو برای افزایش خواص فیزیکی، مکانیکی و ظاهری پلیمرهای بازیافتی، نیاز به اضافه ‌کردن افزودنی­‌هایی است که این خواص را بهبود بخشند. از این میان، تمرکز در این مقاله بر روی افزودنی پرمصرف در پلی‌اولفین‌ به‌عنوان بیش‌ترین پلیمر بازیافتی است.

افزودنی‌‌ها برای بهبود خواص پلی‌‌الفین‌‌‌های بازیافت‌شده

    معمولاً پلیمرهای بازیافت‌‌شده بدون اضافه‌کردن افزودنی‌ها خواص مناسبی ندارند. اضافه‌کردن افزودنی‌‌ها باید طول‌ عمر و ظاهر پلیمرهای بازیافتی را بهبود ببخشد. برای فرمول‌‌بندی مجدد با مشخصات مختلف، طیف کاملی از افزودنی‌‌هایی که برای پلیمرهای دست‌نخورده استفاده می‌شود موجود است. می‌‌توانیم به مثال‌‌هایی همچون سازگارکننده‌‌ها، اصلاح‌‌کننده‌‌های ضربه، پایدارکننده‌‌ها و… اشاره کرد. افزودنی‌‌ها علاوه‌ بر این‌که بر روی ماتریس پلیمر تأثیر می‌‌گذارند، بر خواص کلی کامپوزیت هم تأثیرگذارند. پژوهش‌گران بیش‌تر تمرکز خود در رابطه با افزودنی‌‌ها را بر روی پایداری و سازگاری بیش‌تر پلیمرهای بازیافتی گذاشته‌‌اند. در جدول 2 انواع افزودنی‌‌های مورد استفاده در پلیمرهای بازیافتی پلی‌اولفینی به‌همراه عمل‌کرد آنها دسته‌بندی شده‌اند.

جدول 2. انواع افزودنی‌ها و عملکرد آنها برای پلی‌اولفین‌ها [6].

گردآورنده: محمدرضا احسانی/ جمال الدین شاکری

مراجع

1. https://insights.globalspec.com/article/14792/how-to-recycle-polymer waste#:~:text=Polymer%20recycling%20is%20a%20material,series%20of%20def ned%20sub%2Dprocesses.
2. https://www.plasticsforchange.org/blog/which-plastic-can-be-recycled
3. https://www.cbc.ca/news/canada/nova-scotia/plastic-bottle-home-nova-scotia-1.5188749
4. https://www.mdpi.com/2313-4321/2/4/24#B64-recycling-02-00024
5. Geyer, R. (2020). Production, use, and fate of synthetic polymers. Plastic Waste and Recycling, 13-32. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817880-5.00002-5
6. Geyer, R., Jambeck, J. R., & Law, K. L. (2017). Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, 3(7), e1700782.