Цепи полимеров не связаны

Нейлон-6 — прочный, не поддающийся биологическому разложению пластик, который невозможно переработать обычными методами. Тобин Дж. Маркс, Йоси Кратиш, Северо-Западный университет, Эванстон, штат Иллинойс, США, и их коллеги предложили новый способ: С помощью легкодоступного катализатора трисамидо лантана нейлон-6 может быть деполимеризован высокоселективно, почти количественно, без растворителя и при умеренных температурах с получением мономера ε-капролактама. Мономеры последовательно удаляются с одного конца полимера, подобно тому, как жемчужины расплетаются в цепочку.

Отходы нейлона

Нейлон — это ткань, из которой шьют чулки. Он также является предпочтительным материалом для многих областей применения, включая автомобилестроение, упаковку, инфраструктуру, текстиль и рыболовство. Его преимущества, такие как эластичность, химическая стойкость, высокая прочность на разрыв и высокая стойкость к истиранию, мешают его биоразлагаемости. Например, брошенные нейлоновые рыболовные сети составляют около 10 % пластиковых отходов в океанах.

В промышленном масштабе вариант Nylon-6 производится путем кольцевой полимеризации ε-капролактама в объеме 5 миллионов тонн в год. По прогнозам, объем рынка достигнет 21,5 млрд. долларов к 2026 году. Кучи мусора соответственно растут, увеличивая опасность для окружающей среды и нашего здоровья. Кроме того, производство нейлона-6 оказывает большое влияние на выбросы CO2. Мономер, ε-капролактам, производится из ископаемого сырья в ходе дорогостоящего многоступенчатого процесса. Его рекультивация позволила бы сохранить ресурсы и сэкономить на производственных затратах и энергии. Таким образом, существует высокий спрос на круговую экономику для нейлона-6.

Химическая переработка

В то время как переработка некоторых других пластиков постепенно набирает обороты, нейлон-6 очень трудно поддается переработке. Плавить его для получения новой формы невозможно, поскольку он частично разлагается при высоких температурах. Сжигать его для производства энергии также невозможно, поскольку он образует токсичные соединения, такие как цианистый водород. Предыдущие методы переработки химикатов оказались слишком сложными и неэффективными или требуют использования проблемных химикатов.

Команда разработала новый эффективный каталитический процесс переработки нейлона-6. Нейлон-6 деполимеризуется до ε-капролактама с более чем 95 % селективностью и более 90 % выходом— без растворителей или токсичных химикатов и при сравнительно мягкой температуре 240 °C. Примеси полиэтилена, полипропилена или полиэтилентерефталата не мешают.

Успех команды основан на катализаторе на основе коммерчески доступных трисамидокомплексов редкоземельных металлов. Наибольшую каталитическую активность продемонстрировал комплекс лантана. Экспериментальные данные и расчеты указывают на новый механизм реакции. На первом этапе ион водорода удаляется из терминальной связи амида N–H, и катализатор ковалентно связывается с полимером. Затем единицы ε-капролактама отщепляются от конца цепи одна за другой в процессе обратного отщепления.