Тянуться к новому: сможет ли полиэтиленовая нить заменить спандекс

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) создали эластичную нить на основе различных типов полиэтилена. В ходе лабораторных испытаний материал успешно выдержал десять циклов переплавки и формования, сохранив прочность. Эта разработка может упростить переработку спортивной одежды и других изделий, где спандекс комбинируется с полиэстером или нейлоном. Тем не менее, успешный эксперимент с чистой нитью не гарантирует готовность технологии к массовому производству одежды. Данную информацию сообщает портал Известия.

Суть открытия ученых MIT заключается в том, что современные эластичные ткани обычно изготавливаются из нескольких материалов. Спандекс, представляющий собой полиуретановое волокно, обеспечивает растяжимость, но его прочность оставляет желать лучшего. Поэтому его часто комбинируют с более прочными волокнами, такими как полиэстер или нейлон. Это позволяет создать ткань, способную выдерживать нагрузки, однако после окончания срока службы разделить её на исходные компоненты становится сложно и затратно.

Инженеры MIT предложили заменить различные химические материалы двумя видами полиэтилена. Для сердцевины они выбрали мягкий сополимер, обладающий растяжимостью, а для внешней части — более жесткое полиэтиленовое волокно, которое наматывается на сердцевину, придавая дополнительную прочность. Исходные гранулы плавятся при температуре около 177 градусов, после чего проходят через экструдеры и вытягиваются в тонкие волокна, что авторы сравнивают с процессом изготовления спагетти.

Обе части нити относятся к одному химическому семейству, что упрощает переработку: их не нужно разделять перед переработкой. Использованный материал можно расплавить и снова сформовать в волокно или использовать для производства других изделий, таких как пуговицы или пластиковые детали. Исследователи предполагают, что технологию можно масштабировать для промышленного производства.

Принципиальная новизна заключается в создании эластичной нити из полимера, который обычно не считается эластичным, как пояснила профессор кафедры химических технологий имени профессора А.А. Хархарова Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна Анна Михайловская.

По её словам, эту нить можно рассматривать как бикомпонентную, где ядро и оболочка состоят из одного полимера, но имеют разные физические свойства. Один компонент обеспечивает эластичность, а другой — прочность. Также Ольга Стадник, руководитель направления исследований и консалтинга компании «ЭкоТехнологии», отметила, что сочетание эластичности и прочности достигнуто без использования сшивающих агентов или дополнительных полимеров, а за счет управления молекулярной архитектурой полиэтилена.

Разработчики сравнили новую полиэтиленовую нить с коммерческим материалом из полиэстера и спандекса. Новый образец показал сопоставимую растяжимость и превзошел по максимальной нагрузке перед разрывом. В MIT считают, что этот материал в будущем можно будет использовать в легких и эластичных тканях.

Тем не менее, говорить о полной замене спандекса пока рано. Анна Михайловская напомнила, что полиуретановое волокно может растягиваться в пять–семь раз и возвращаться к исходным размерам после снятия нагрузки. Неизвестно, выдержит ли новый материал многократные деформации такого масштаба на протяжении всего срока эксплуатации изделия.

— Нить — это еще не готовое изделие. Из неё необходимо создать ткань или трикотаж, и пока неясно, как она будет вести себя при ткачестве, вязании и в процессе эксплуатации. Кроме того, для белья обычно используют хлопок или вискозу, которые обеспечивают комфорт, а полиэтилен не обладает такими свойствами, — добавила специалист.

По её мнению, одним из первых направлений применения могут стать нетканые материалы для медицины, пищевой промышленности и строительства, так как полиэтиленовые изделия могут быть легкими, прочными и устойчивыми к влаге.

Дополнительной проблемой остается окрашивание. Спандекс и многие традиционные волокна можно красить в водных растворах, тогда как полиэтилен практически не взаимодействует с такими красителями. Пигменты нужно будет вводить в расплав перед формованием нити, и пока неясно, как это повлияет на эластичность и прочность после нескольких переплавок.

Полиэтилен также недостаточно устойчив к ультрафиолетовому излучению. Если материал планируется использовать для купальников или спортивной одежды, в него придется добавлять светостабилизаторы, что усложнит состав и потребует проверки на пригодность к переработке.

Для проверки перерабатываемости ученые изготовили катушку нити, расплавили материал и снова сформовали его в волокно, повторив процедуру десять раз. После каждого цикла измерялись механические характеристики, и переработанные образцы сохраняли прочность, сопоставимую с исходным материалом. Однако MIT уточняет, что из переработанного полиэтилена получали новую прочную внешнюю нить, которую можно было наматывать на вновь изготовленную эластичную сердцевину.

По словам Ольги Стадник, десять циклов без значительной потери прочности — это сильный лабораторный результат, но испытание проводилось в контролируемых условиях с чистым материалом. Реальные отходы часто загрязнены, и необходимо проверить, как материал поведет себя после попадания в него пуговиц и других посторонних элементов.

Для переработчика важно не только количество лабораторных циклов, но и качество конечного продукта. Даже если после повторного плавления материал нельзя будет превратить в эластичную одежду, его можно использовать для производства пленки или других изделий. Это позволит вернуть полимер в хозяйственный оборот, но не в замкнутый цикл «одежда в одежду», а с понижением качества.

Проблема текстильных отходов имеет глобальный масштаб. В 2020 году в странах ЕС образовалось около 6,95 млн тонн таких отходов, из которых только 4,4 кг на человека были собраны для повторного использования и переработки. Смешанный состав изделий остается одним из главных препятствий для переработки, так как для разделения компонентов из полиэстера и спандекса требуется сложный процесс.

Теоретически из полиэтиленовых материалов можно изготовить не только ткань, но и швейные нити, молнии и пуговицы, что упростит переработку. Однако, как отметила эксперт, вопрос не только в возможности переработки, но и в том, будут ли перерабатывать такие изделия.

Для распознавания состава вещей могут понадобиться маркировка и автоматизированная сортировка, что уже проходит проверку. Однако даже точное распознавание не решает вопрос экономики: отдельный поток появляется только при достаточном объеме отходов и стабильном спросе на полученное сырье.

Полный экологический эффект новой нити также еще предстоит оценить, включая анализ жизненного цикла, объем энергии при производстве и переплавке, углеродный след и вероятность образования микропластика.

В России переработка одежды расширяется, хотя охватывает лишь небольшую часть отходов. Число предприятий по утилизации текстиля увеличилось с четырех до 22, а их мощность возросла с 70 тыс. до 274,2 тыс. тонн в год. Однако значительная часть переработки основана на механическом измельчении текстиля.

Создание полноценной цепочки «полиэтиленовое волокно – одежда – новое волокно» требует инвестиций и достаточного объема сырья. Если полиэтиленовая одежда займет небольшую долю рынка, выделение её в отдельный поток может оказаться экономически нецелесообразным. На начальном этапе более реалистичным направлением могут стать контролируемые поставки спецодежды и медицинских материалов, которые будут собираться одной организацией.