Международная группа химиков разработала метод переработки отходов поливинилхлорида в полиальфаолефины — углеводородные соединения, используемые как основа синтетических смазочных материалов. Реакция проходит при температуре 70 °C, а вязкость получаемого продукта регулируется условиями синтеза.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Работу провела группа под руководством профессора химии и химической инженерии Политехнического университета Виргинии Гуоляна Лю. В исследовании также участвовали специалисты Техасского университета A&M и Калифорнийского технологического института. Ведущим автором статьи стал Эрик Мунянеза Нувайо.
Поливинилхлорид используют при производстве труб, оконных профилей, напольных покрытий, кабельной изоляции, банковских карт, медицинских изделий и потребительских товаров. По данным авторов исследования, ежегодный мировой выпуск ПВХ составляет около 60 млн тонн.
Переработка этого полимера связана с особенностями его состава. ПВХ содержит значительную долю хлора, а свойства готовых изделий формируют с помощью пластификаторов, стабилизаторов, наполнителей и пигментов. Набор добавок зависит от назначения продукции: жёсткие трубы и гибкие перчатки могут содержать разные вспомогательные компоненты.
Разработанный химиками процесс объединяет три реакции: удаление хлора, разрыв полимерных цепей и присоединение альфа-олефинов. ПВХ помещают в растворитель, добавляют хлорид алюминия AlCl₃ и альфа-олефины, после чего нагревают смесь до 70 °C и выдерживают в течение трёх часов.
Углеродный каркас ПВХ при этом разделяется на более короткие фрагменты, которые участвуют в формировании новых молекул. Полученные соединения авторы обозначили как vPAO — полиальфаолефины, произведённые из винильного полимера.
Полиальфаолефины применяют в качестве базовых масел при изготовлении синтетических моторных, трансмиссионных и промышленных смазочных материалов. На их основе формируют конечный продукт, добавляя противоизносные, моющие, антикоррозионные и другие функциональные компоненты.
При традиционном производстве полиальфаолефинов для управления строением молекул могут использоваться металлоценовые катализаторы. В предложенной реакции структурной основой для присоединения альфа-олефинов служит углеродная цепь самого ПВХ, поэтому металлоценовые катализаторы не применяются.
Характеристики продукта регулировали количеством хлорида алюминия и длиной цепей альфа-олефинов. Полученные образцы различались по молекулярной массе и вязкости. Кинематическая вязкость при 100 °C составляла от 14,9 до 26,3 мм²/с, или сантистокса.
Индекс вязкости достигал 130. Этот показатель характеризует устойчивость вязкости масла к изменению температуры. Коэффициент трения во время испытаний находился в диапазоне от 0,08 до 0,15.
Трибологические испытания полученных образцов проводили специалисты Техасского университета A&M. Исследователи Калифорнийского технологического института выполнили расчёты, описывающие химические процессы при преобразовании ПВХ.
Метод проверили как на лабораторном полимере, так и на отходах готовой продукции. Сырьём стали фрагменты труб, пластиковых карт, перчаток и игрушек. Эксперименты подтвердили образование полиальфаолефинов из ПВХ-изделий с разным составом и набором добавок.
В ходе реакции из полимерной цепи удаляется хлор. По данным дополнительных материалов к статье, его остаточное содержание в полученных полиальфаолефинах составляло менее 100 частей на миллион, а степень удаления превышала 99,98%.
В экспериментах использовали несколько реакционных сред, включая дихлорметан и углеводородные растворители. После завершения реакции масляный продукт отделяли от растворителя и очищали для последующего определения состава и эксплуатационных характеристик.
Авторы также выполнили технико-экономическое моделирование производства полиальфаолефинов из отходов ПВХ. Расчётная схема рассматривала предприятие мощностью 50 тыс. тонн продукции в год и учитывала расход полимера, альфа-олефинов, хлорида алюминия и других компонентов процесса.
Разработанный метод позволяет использовать углеродную основу отходов ПВХ для получения полиальфаолефинов с заданными показателями вязкости и трения. Исследование объединяет переработку хлорсодержащего полимера и производство сырья для синтетических смазочных материалов в одном химическом процессе.
