تأثير البلمرة في الحالة الصلبة على تطور بنية الألياف في الغزل بالانصهار من PET المعاد تدويره ميكانيكياً

تحويل نفايات الزجاجات إلى ألياف جديدة قوية

زجاجات المشروبات البلاستيكية منتشرة في كل مكان، ومعظمها مصنوع من PET، مادة متعددة الاستخدامات لكنها مقاومة للتحلل في الطبيعة. ينتهي الأمر بالكثير من هذا البلاستيك في مطامر النفايات أو البيئة. تبحث هذه الدراسة فيما إذا كان يمكن ترقية زجاجات PET القديمة، بعد إعادة تدوير ميكانيكية بسيطة، إلى ألياف صناعية قوية وموثوقة — مثل تلك المستخدمة في أحزمة الأمان، والجيوب النسيجية الجغرافية، والأقمشة الصناعية — بحيث تصبح زجاجة الأمس خيطاً قاسياً ومتيناً غداً.

لماذا يفشل PET المعاد تدويره عادةً في تلبية المتطلبات

عند إعادة تدوير زجاجات PET ميكانيكياً، يتم جمعها وتنظيفها وطحنها إلى رقائق ثم إعادة صهرها لتشكيل حبيبات جديدة. هذه العملية أرخص وأبسط من إعادة التدوير الكيميائي، لكن الحرارة والرطوبة المتورطة تتلف بهدوء سلاسل PET الطويلة، فتُقصَّر إلى قطع أقصر. هذا التلف يخفض مقياساً مهماً يُدعى اللزوجة الذاتية، يستخدمه العلماء كمؤشر على الكتلة الجزيئية وبالتالي على المتانة. نتيجة لذلك، يكون PET المعاد تدويره ميكانيكياً (mr‑PET) مناسباً عادةً للاستخدامات قليلة القيمة، لكنه يعاني لكي يحقق متطلبات القوة والمتانة المطلوبة للألياف الصناعية.

تعزيز سلاسل البوليمر بالحرارة المعتدلة

لإصلاح تلك السلاسل المختصرة، استخدم الباحثون عملية تُسمى البلمرة في الحالة الصلبة (SSP). بدلاً من إذابة البلاستيك تماماً، قاموا بتسخين حبيبات PET لدرجات حرارة أعلى من نقطة انتقال الزجاج لكنها أدنى من نقطة الانصهار، والثبات عندها لعدة ساعات في مفاعل دوّار وتحت تفريغ. في هذه الظروف، تتصل نهايات سلاسل البوليمر ببطء، مما يطيل السلاسل دون الانهيار الشديد الذي قد يحدث في المعالجات بالانصهار الكامل. اختبر الفريق نطاقات من درجات الحرارة (220، 230، و240 °C) والأزمنة (6، 12، و18 ساعة) لكل من PET الخام (v‑PET) وmr‑PET. ثم قاسوا سهولة تدفق المادة عند الانصهار، ولزوجة محاليلها، وكيف تغيرت كتلتها الجزيئية، لتعقب مدى إعادة بناء السلاسل.

إيجاد نقطة التوازن المناسبة لإعادة التدوير

أظهرت التحليلات أن طول السلسلة والتبلور — أي مدى انتظام بنية البوليمر — ازداد مع ارتفاع درجة حرارة SSP وزيادة الزمن. ومع ذلك، تعني المعالجات الأطول والأعلى حرارة استهلاك طاقة أكبر وإنتاجية أبطأ. حدد الباحثون 230 °C لمدة 6 ساعات كنقطة توازن عملية: في هذه الحالة، بلغ mr‑PET لزوجة ذاتية تقارب 1.1 dL/g، وهو المستوى المستهدف غالباً للألياف الصناعية عالية القوة، مع إبقاء زمن العملية معقولاً. في هذا الإعداد، تطابقت الكتلة الجزيئية المتوسطة للـ PET المعاد تدويره تقريباً مع تلك الخاصة بـ PET الخام المعالج بالمثل، على الرغم من احتواء المادة المعاد تدويرها على آثار من الشوائب المتبقية من حياتها السابقة كزجاجات.

الغزل السريع لبناء البنية

بعد ذلك، قام الفريق بإذابة الحبيبات المعالجة وغير المعالجة وبثقها عبر فتحات دقيقة لتشكيل خيوط، ثم سحبوها بسرعة عالية — وهي طريقة تعرف بالغزل بالانصهار. من خلال تغيير سرعة السحب من 1000 إلى 4000 متر في الدقيقة، يمكنهم التحكم بمدى امتداد الخيوط المصهورة أثناء تبريدها. باستخدام التحليل الحراري وانتشار الأشعة السينية، وجدوا أن السرعات الأعلى لتدوير الخيوط تشجع سلاسل PET على الاصطفاف والتبلور بمحور الليف، مما يزيد بدوره نقطة الانصهار والترتيب الداخلي للألياف. والأمر اللافت أن الألياف المصنوعة من PET المعالج بـ SSP بدأت تظهر بنية بلورية واضحة عند سرعات أقل من PET غير المعالج، ما يعني أن السلاسل المعاد بناؤها والطويلة كانت أكثر استعداداً للتنظيم إلى مناطق قوية ومرتبة أثناء الغزل.

قوة تقارن بالبلاستيك الجديد

أكدت الاختبارات الميكانيكية للخيوط الناتجة ما أشارت إليه قياسات البنية. مع زيادة سرعة الغزل، أصبحت جميع الألياف أقوى (صلابة أعلى) لكنها امتدت أقل قبل الانكسار، وهو ما يميز المواد الأكثر اصطفافاً وتبلوراً. بعد معالجة SSP، أظهر كل من PET الخام والمعاد تدويره أداءً أفضل بشكل عام. والأهم من ذلك، أن mr‑PET الذي خضع لـ SSP عند 230 °C لمدة 6 ساعات وغزل بسرعة 3000 م/دقيقة حقق صلابة مماثلة تقريباً لألياف PET الخام المعالجة بالمثل، بحوالي 4.4 غرام لكل دنير. بعبارة أخرى، وعلى الرغم من تاريخ الاستخدام والجمع والمعالجة، يمكن هندسة المادة المعاد تدويرها لتضاهي قوة PET «الجديد» في خيوط ذات جودة صناعية.

ماذا يعني هذا للمنتجات اليومية

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: بمعالجة حرارية مضبوطة بعناية وظروف غزل محسنة، يمكن تحويل زجاجات البلاستيك إلى ألياف عالية الأداء مناسبة للاستخدامات الصناعية الشاقة، وليس فقط للمنتجات منخفضة الجودة. من خلال استخدام SSP لإعادة بناء سلاسل البوليمر وتحسين سرعة الغزل لاصطفافها، تُظهر هذه الدراسة أن PET المعاد تدويره ميكانيكياً يستطيع التغلب على نقاط ضعفه الاعتيادية ومنافسة المادة الخام. هذا يفتح الباب أمام استخدام دائري أوسع للـ PET، حيث يمكن تصنيع المنسوجات التقنية القاسية — مثل أجزاء السيارات، وأقمشة البناء، والحبال الثقيلة — من نفس الزجاجات التي كنا نرميها في سلة التدوير.

الاستشهاد: Kim, H., Bae, J.H., Hahm, WG. et al. Effect of solid-state polymerization on fiber structure development in melt spinning of mechanical recycled PET. Sci Rep 16, 6752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36850-2

الكلمات المفتاحية: ألياف PET المعاد تدويرها, البلمرة في الحالة الصلبة, الغزل بالانصهار, إعادة تدوير زجاجات البلاستيك, خيوط البوليستر الصناعية