כיצד טכנולוגיית הקומפטיביליזציה המתפתחת מאפשרת מיחזור של פסולת פלסטיק מעורבת?

לספקי תוספים ולאנשי אקדמיה יש מספר רב של פתרונות מוכנים או בשלבי פיתוח לערבוב פולימרים לא תואמים יחד ליצירת חומרים בעלי ביצועים גבוהים ויציבים יותר. רבים מהם מפותחים במטרה לשדרג פלסטיק ממוחזר, לעתים קרובות אך לא אך ורק חומר ממוחזר לאחר צריכה (PCR). רבים, אך לא כולם, משתמשים בטכניקות השתלת אנהידריד מאלי כדי לגשר על הממשק בין פולימרים פולריים ללא פולריים, או בין פולימרים לא פולריים אך עדיין לא תואמים (למשל PE ו-PP).

חברת Intermix Performance Materials, שבסיסה בארה"ב, היא חברת סטארט-אפ שהוקמה בשנה שעברה במטרה למסחור את פיתוחה של טכנולוגיית תוסף רב-בלוקי לקומפטיביליזציה של אתילן-פרופילן, ברישיון מאוניברסיטת קורנל. החברה נוסדה על ידי ג'ף קואטס, פרופסור לכימיה וביולוגיה כימית בבית הספר טיש בקורנל, אנדרו אריז, אנליסט עסקי, וטינג-וויי לין, חוקר ראשי.

"HDPE ופוליפרופילן איזוטקטי (iPP) הם סוגי הפלסטיק המסחריים המיוצרים ביותר בעולם, ויש להם תכונות אופטיות דומות, מה שהופך את תהליך מיון שני סוגי הפלסטיק בקנה מידה גדול למאתגר", אומר לין. למרות המבנים הכימיים הדומים ביניהם, HDPE ו-iPP אינם תואמים זה לזה ולכן מייצרים חומר שביר וחסר ערך כאשר הם מעורבבים בהתכה. זה פוגע ביעילות המיחזור של סוגי פלסטיק אלה. דווח כי פחות מ-7% ו-1% ממשקלם של HDPE ו-iPP בהתאמה ממוחזרים.

באמצעות שותפות עם חברה מבוססתממחזר פלסטיקחברת Intermix השיגה אצווה של כדורי פלסטיק העשויים מחבלים ישנים ורשתות דייגים, הממוחזרים בעיקר מהים. יחס משקל של HDPE ל-iPP לפלסטיק ימי זה הוא כ-1:1. החברה טוענת שהתערובות שבירות ואינן מתמתחות ללא התארכות רבה. על ידי הוספת 2% משקל של חומר הקומפטיביליזציה של החברה, ניתן להגדיל את הקשיחות ליותר מ-800% התארכות בשבירה.

לין אומר שתערובות HDPE/iPP תואמות "הופכות כעת לחומרים מבטיחים שניתן לעבד מחדש למוצרים ללא קשר להרכב ולחוסר ההפרדה של תערובת ה-HDPE/iPP הממוחזרת. זה יכול להפחית משמעותית את עלות מיחזור הפלסטיק ולהגדיל את יעילות המיחזור."

לחברת Intermix כיום חמישה עובדים המתמקדים במחקר מוצרים ופיתוח עסקי, והיא עובדת עם מספר יצרני בתי יציקה כדי להגדיל את ייצור חומרי הקומפטיבליציה, מקנה מידה של גרם ועד קילוגרם. לין אומרת, "מוצרים המיוצרים מתערובות HDPE/iPP ממוחזרות עשויים להיות אפשריים בקרוב."

חברת Nexam Chemical משוודיה פיתחה קונספט המכונה "מיחזור ריאקטיבי" כדי לשפר את הביצועים של פולימרים ממוחזרים מעורבים שקשה למחזר. דוגמה אחת היא PP ממוחזר המכיל HDPE. "Nexamite R201 מגיב עם הפולימר ליצירת תערובת PP/PE המספקת תאימות ל-PP ו-PE", אומר לארס אורן, מנהל השיווק הראשי של החברה. בדיקות מתיחה הראו פחות שונות בתערובות של 85% rPP ו-15% rHDPE."

דוגמה נוספת ליישום היא PE המכיל PA. כאשר נקסאמיט R405 נוסף לתערובת של 93% HDPE ו-7% PA6, בדיקות מתיחה הראו שיפור בתכונות מכניות ובמראה פני השטח. מאמץ הכניעה שופר גם כן, ונאמר שחוזק השבר דומה לזה של HDPE טהור.

אורן לא חשף את התגובה הכימית הספציפית שבה נעשה שימוש, אך אמר שהיא אינה מבוססת על השתלת אנהידריד מאלי. הוא אומר: "זה עובד על פוליאולפינים, אבל יכול גם לגשר ולהגיב עם פוליקונדנסטים. כמו בכל האקסטרוזציות הריאקטיביות, צריך את התערובת הנכונה ואת קלט האנרגיה הנכונים כדי לקבל את התוצאות הטובות ביותר." Nexamite R201 ו-R405 זמינים שניהם בצורת אבצ'.

התוספת האחרונה לתיק המוצרים של חברת Nordic Grafting (NGC) היא תוסף הקומפאטיביליזר Acti-Tech 16MA11F, המבוסס על אנהידריד מאלי (MA) Vistamaxx מורכב, קופולימר חצי גבישי של אקסון מוביל. התוסף החדש עומד בתקנות האיחוד האירופי 10/2011 למגע עם מזון ומספק למיחזורים ומעבדים תוסף קומפאטיביליזר אוניברסלי קל להוספה כדי לשפר את הערך של תערובות המכילות מגוון פולימרים לאריזה, כולל פוליאולפינים, EVOH, PA ו-PET, על פי NGC, אשר מורשית לאקסון מוביל עבור הטכנולוגיה.

ניתן להוסיף מוצרי Acti-Tech בכל שלבי תהליך המיחזור: במהלך מיחזור פנימי או טרום-צרכן על ידי המעצב, במהלך גרנולציה מחדש עם או בלי סינון על ידי הממחזר, או במהלך גרנולציה מחדש על ידי הממחזר או המעצב. החברה אומרת: "היא מייצגת את הפתרון האידיאלי למחזור מחדש של חומרי גלם פולימריים מעורבבים ממחזור פוסט-תעשייתי (PIR) או מיחזור לאחר צריכה (PCR) וכן מפסולת פנימית, ומאפשרת שימוש בפלסטיק ממוחזר זה במוצרים חדשים או קיימים מבלי לפגוע בביצועי השימוש הסופי."

על פי NGC, Acti-Tech 16MA11F מציג פיזור משופר וגודל פאזה מפוזר מופחת של חלקיקי PA ו-PET במצעי פוליאולפין (יחס PA/PE טיפוסי של 40/60). קוונטין לה פיוף, מנהל פיתוח עסקי של החברה, אומר: "בנוסף, הוספת 4% Acti-Tech Compatibilizer 16MA11F לסרטי מחסום ממוחזרים (LDPE 60% / PA 30% / EVOH 10%) הביאה לשחזור גבוה יותר של הפילם והתכונות האופטיות בהשוואה לתערובות שלא הותאמו, ועלות נמוכה יותר."

תוספי Acti-Tech נבדקים כעת במגוון פסולת טרום-צרכנית, פוסט-תעשייתית פוסט-צרכנית, כולל אריזות סרט רב-שכבתי, כמו גם שרוולי כיווץ, מיכלי כימיקלים לקוסמטיקה והגנה על הצומח, אריזות קשיחות, צינורות וצינורות מחוזקים/רב-שכבתיים, רשתות דייגים, מחצלות ושטיחים.

לדברי לה פיוף, ניתן להשתמש ב-Acti-Tech 16MA11F גם כחומר צימוד לחומרים מבוססי ביו (עמילן, תאית), חומרים מרוכבים מעץ (WPC) וסיבים טבעיים (NFC). מספר יישומים המשתמשים במקדם תאים אוניברסלי זה ימומשו בחודשים הקרובים", הוא אומר.

הרחבת טווח ההגעה

חברת Polyscope Polymers, שבסיסה בהולנד, ועסקי הליבה שלה מבוססים על סטירן-מאלאי אנהידריד, טוענת כי הגדילה את נתח השוק שלה בתחום זה באופן משמעותי בעשור האחרון. רכישתה על ידי Vertellus מוקדם יותר השנה צפויה לתמוך בשאיפות הצמיחה העתידיות שלה. "עם רכישה זו, Polyscope מרחיבה את נוכחותה בשוק התוספים המיוחדים", אמר פטריק מוזרס, מנכ"ל Polyscope, "ונוכל למנף את המשאבים הגלובליים, היכולות ומעמדה החזק של Vertellus בשוק כדי לשרת טוב יותר את לקוחותינו הקיימים והחדשים".

סינרגיות פוטנציאליות בין תיקי העבודות של Polyscope ו-Vertellus נבדקות כעת. muezers אומר: "סינרגיות חדשות ימשיכו לצוץ, אך קופולימר האתילן MA ZeMac המוצע על ידי Vertellus הוכח כמשלים מאוד את ההיצע הנוכחי של Polyscope."

"השילוב של התוספים שלנו יעזור לנו לענות על שאלות הלקוחות שלנו בנוגע לאופטימיזציה של תערובות Xibond", הוא אמר. אנו כבר רואים ביקוש גובר לפתרונות בני קיימא יותר. לדוגמה, יזמנו מספר פרויקטים לתמיכה בעיבוד של פלסטיק מבוסס ביו בשילובי PLA/PBAT עם התוספים שלנו. בפרויקט זה, תומכי ה-Xibond שלנו הם קריטיים להשגת ביצועים אופטימליים ביישומים ופיתוחים, כולל המעבר משקיות PE מסורתיות לשקיות קניות מחומר ביולוגי."

"בנוסף, אנו רואים יותר ויותר הזדמנויות לספק פתרונות למחזור מחדש של פולימרים שונים. חלק מהלקוחות שלנו אף מגלים שהקומפטיבילייזרים שלנו עוזרים לערבב 'בלוג פלסטיק' עם ABS כדי ליצור תערובות שיכולות להפוך תערובות PET/ABS לזמינות עבור יישומים כגון מעטפות חשמליות", מסביר Muezers.

"לבסוף, צברנו ניסיון סביב מודל השירות של Xibox, בו אנו משתמשים כדי לעזור ללקוחותינו להאיץ את פיתוח המוצר, לקצר שבועות, ובמקרים מסוימים חודשים, מתהליך הפיתוח. אנו משתמשים במכונות מיני-אקסטרודר קטנות שולחניות כדי לבצע סינון מהיר של הפורמולציות של לקוחותינו."

נאמר כי קונספט התצוגה של Xibox אומץ על ידי מספר לקוחות העומדים בפני אתגר מיחזור חומרים מרובים.
מוצרי Olebond של חברת Tisan Engineering Plastics מטורקיה הם פולימרים מורכבים של אנהידריד מאלי המיוצרים באמצעות שיחול ריאקטיבי. החברה טוענת כי "בהתאם לרמת ההשתלה ולסוג הפולימר, Olebond מסייע בשיפור תכונות החומר על ידי פעולה כחומר קומפטיביליזציה, חומר צימוד, חומר משנה השפעה וקשר."

אולבונד 7401 מבוסס על פולימר פולימרי עם תכולה גבוהה של חומצה מאלית שנוספה כחומרי צימוד בין הפולימר לחומר המילוי. החברה אומרת שדירוג 7401 מסייע גם בשיפור התכונות המכניות של תערובות של פולימר פולימרי ופולימרים לא תואמים כמו פולימר פולימרי.
אולבונד 7402 משמש כגורם קומפטיביליזציה וחומר צימוד ביישומים כגון חומרי כבלים נטולי הלוגן, צינורות רב-שכבתיים, למינציות ותערובות של PE עם פולימרים אחרים. כחומר קומפטיביליזציה, אומרים שאולבונד 7402 משפר את הידבקות הבין-פאזית של PE לפולימרים כגון PA ופוליאולפינים אחרים. אומר טיזאן: "אולבונד 7402 מספק פיזור אופטימלי בין חומרי מילוי מינרליים, סיבים ומצעים פולימריים ומשפר את התכונות המכניות של פלסטיק שעבר שינוי. לדוגמה, כאשר משתמשים בו בחומרים שעברו שינוי מלאים בטלק, אולבונד 7402 מכפיל את פיזור הטלק."

סוגי Olebond אחרים כוללים מוצרים מבוססי ABS ו-EVA אשר יכולים לשמש כקומפטיביליזטורים במוצרים שונים. 7404 הוא ABS מורכב באנהידריד מאלי ו-7405 הוא אתילן ויניל אצטט (EVA) מורכב באנהידריד מאלי.
חברת SK Functional Polymer (SKFP) שבסיסה בקוריאה מספקת מגוון מלא של חומרי קומפטיביליזציה ומאיצי מיחזור אשר אמורים לאפשר למשתמשים להמיר גרוטאות פלסטיק מעורבות לחומרים בעלי ערך גבוה (החברה נוצרה באמצעות רכישת עסקי הפוליאולפינים הפונקציונליים של Arkema על ידי SK Geo Centric בשנת 2020).

לוליטה האוגל, מנהלת פיתוח עסקי של החברה בצרפת, אומרת: "SKFP מיקדה חלק ניכר ממאמצי המחקר שלה בפיתוח פוליאולפינים ריאקטיביים שהופכים תערובות פלסטיק ממוחזרות מכנית לתאימות. טרפולימרים ריאקטיביים של Lotader ושרפי השתלת Orevac נמצאים בשימוש נרחב כמתאימים לתערובות שונות. ל-SKFP יש לא רק פתרונות לתמיסות ממוחזרות עבור תערובות כגון rPET/rPE, rPET/rPP, rPA/rPE, rPA/rPP, rPA/rPET ... וגם עבור תערובות PE/EVOH."

חומצה מאלית מסוג Lotader 4210 זמינה מסחרית לשדרוג גרוטאות רב-שכבתיות של PE ו-EVOH ממוחזר (החומר הסופי מוגבל ליישומים שאינם מזון). SKFP אומרת שדוגמה מוצלחת נוספת משתמשת ב-Lotader AX ב-PET ממוחזר המזוהם בפוליאולפינים שלא סולקו לחלוטין במהלך תהליך המיון.

SKFP טוענת כי היא גם הוכיחה כי מגוון הקופולימרים החדש שלה של אקרילט Lotryl T הטרוגניים הוא פתרון יעיל ביותר לשיפור עמידות בפני פגיעות עבור שרפי סטירן ממוחזרים, המציע תכונות פגיעות משופרות משמעותית. החברה מציעה גם פתרונות לשיפור עמידות בפני פגיעות ולוויסות הצמיגות של חומרי rABS על ידי שילוב קופולימרים קוטביים במיוחד של Lotryl שאינם תגובתיים עם Lotader AX תגובתי. האוגל אומרת: "השילוב של קוטביות וריאקטיביות של שרפים אלה הוא המפתח לשדרוג מוצלח של פסולת פלסטיק ממוחזרת."

פוליאולפינים מורכבים של Orevac נמצאים בשימוש נרחב כחומרי צימוד עבור חומרים ממולאים ב-PP וב-PE שעברו שינוי. מגוון המוצרים כולל PP מורכב, HDPE/LLDPE מורכב ו-EVA מורכב. תכולת האנהידריד המאלי הריאקטיבי במוצרים אלה משתנה, אך ככל שהתכולה גבוהה יותר, כך הם יעילים יותר כחומרי צימוד. הם מתאימים לשימוש עם ATH, MDH, חומרי מילוי מינרליים אחרים, כמו גם זכוכית וסיבים טבעיים.

נשיא פטרוכימיה, סלבטורה מונטה, אומר שניתן להשיג תאימות של פולימרים שונים באמצעות פולימרים ריאקטיביים להרכבה: כגון PP מורכב באנהידריד מאלי, קופולימרים דו-קוטביים (למשל SEBS), יוזמי השתלה של רדיקלים חופשיים (למשל דיאיזופרופיל בנזן פרוקסיד) וחומרי צימוד אורגנו-מתכתיים (למשל טיטנטים). רוב יצרני המקדמים ישקלו חומרי צימוד טיטנטים הטרואטומיים רק כאשר יש בעיות עם חומרי מילוי או הידבקות למצעים שונים", הוא אומר. אך למעשה, מדובר בזרזים יציבים תרמית שיכולים לבצע פולימריזציה מחדש של פולימרים שונים במוצר המותך, בדיוק כפי שזרזים לטיטאנוצן ו-ZN משמשים לפולימריזציה של מונומרים.

הוא אמר, "יתרון אחד של הזרז הטרואטומי של טיטנאט הוא שהפולימר המתקבל זורם מהר יותר בטמפרטורות נמוכות יותר, עם עלייה קלה בחוזק המתיחה ועלייה משמעותית בהארכה. שימוש בתוספת של 0.2% משקל של זרז כדי להפחית את טמפרטורות העיבוד הוא דרך חדשה להרחיב את חלון העיבוד עבור פולימרים שונים, כגון PC שבדרך כלל דורש טמפרטורות עיבוד גבוהות (מעל 300 מעלות צלזיוס), ו-PVC שבדרך כלל רגיש לחום."

מונטה מציין שבקצב הוספה זה, התוסף הכפיל את תפוקת השיחול של פרופיל מארז שבב מחשב uPVC שקוף בטמפרטורת עיבוד מופחתת של 47°C. הוא גם משפר את זרימת ההיתוך בטמפרטורת עיבוד מופחתת של 100°C עבור הזרקת חומר עיבוד PC מחוזק ב-40% סיבי זכוכית, בו משתמשים לקוחות במשך שנים רבות לייצור בסיסי אבן ריחיים על ידי יציקת החומר על גבי יריעות פלדה.

דאו, המפתחת מוצרים נוספים לתמיכה במחזור של שילובי חומרים שאינם תואמים, טוענת כי למקדמים ולמקדמי קומפטיבליציה יש תפקיד מפתח במעבר מכלכלה לינארית לכלכלה מעגלית. לטענתה, המקדים את הפולימר Retain 3000, שנועד למחזור סרטים פוסט-תעשייתיים המכילים EVOH, ממזער ג'לציה, בעוד שדרגת Fusabond משמשת כמקדמי פגיעה ומקדמי קומפטיבליציה בפוליאולפינים ממוחזרים לאחר צריכה.