השפעת פולימריזציה במצב מוצק על התפתחות מבנה הסיבים בספיגה מותכת של PET ממוחזר מכנית

להפוך פסולת בקבוקים לסיבים חדשים וחזקים

בקבוקי שתייה מפלסטיק נמצאים בכל מקום, ולרובם עשוי PET — חומר רב‑תכליתי אך עקשן שאינו מתפרק בטבע. חלק גדול מהפלסטיק הזה מסתיים באתרי טמנה או בסביבה. מחקר זה בוחן האם בקבוקי PET ישנים, לאחר מיחזור מכני פשוט, ניתנים לשדרוג לסיבים תעשייתיים חזקים ואמינים — כמו אלה המשמשים חגורות בטיחות, גיאוטקסטילים ובדים תעשייתיים — כך שבקבוק אתמול יוכל להפוך מחר לחוט כבד משימה.

מדוע PET ממוחזר בדרך כלל נופל בחסר

כאשר בקבוקי PET ממוחזרים מכנית, אוספים אותם, מנקים, מרסקים לפלאκες וממיסים שוב לגלילים. התהליך הזה זול ופשוט יותר ממחזור כימי, אך החום והלחות שבמעגל פוגעים בשרשראות הארוכות של ה‑PET, וחותכים אותן לחתיכות קצרות יותר. הנזק הזה מפחית מדד מרכזי שנקרא ויסקוזיות פנימית (intrinsic viscosity), שמשמש מדד עקיף למשקל מולקולרי ובסופו של דבר לכוח. כתוצאה מכך, PET ממוחזר מכנית (mr‑PET) בדרך כלל מתאים לשימושים נמוכי ערך, אך מתקשה לעמוד בדרישות החוזק והעמידות של סיבים תעשייתיים.

הארכת השרשראות בעזרת חימום עדין

כדי לתקן את השרשראות המקוצרות, החוקרים השתמשו בתהליך הנקרא פולימריזציה במצב מוצק (SSP). במקום להמיס את הפלסטיק, חיממו את גלילי ה‑PET לטמפרטורות מעל נקודת המעבר הזכוכית אך מתחת לנקודת ההתכה, והחזיקו אותם שם למשך מספר שעות בתא מסתובב ובוואקום. בתנאים האלה קצוות השרשראות הפולימריות מתחברים מחדש לאט, מה שמגדיל את אורך השרשרת מבלי לגרום לפירוק חמור שעשוי להתרחש בעיבוד מלא‑היתוך. הצוות בחן טווח של טמפרטורות (220, 230 ו‑240 °C) וזמני טיפול (6, 12 ו‑18 שעות) הן עבור PET ורגיל (v‑PET) והן עבור mr‑PET. אחר כך מדדו את זרימת הממס בנטיית ההיתוך, את הוויסקוזיות של התמציות ואת השינויים במשקל המולקולרי, כדי לעקוב עד כמה השרשראות שוקמו.

מוצאים את נקודת האיזון למחזור

האנליזות הוכיחו כי אורך השרשרת והגבישיות — עד כמה מבנה הפולימר מסודר — עלו עם העלייה בטמפרטורת ה‑SSP ובזמן הטיפול. עם זאת, טיפולים ארוכים וחמים יותר גם דרשו יותר אנרגיה והאטו את קצב הייצור. החוקרים זיהו את 230 °C למשך 6 שעות כנקודת איזון פרקטית: בתנאי זה mr‑PET הגיע לויסקוזיות פנימית של כ‑1.1 dL/g, הרמה שנחשבת לרבות למטרה עבור סיבים תעשייתיים עמידים, תוך שמירה על זמן תהליך סביר. בהגדרה זו, המשקל המולקולרי הממוצע של ה‑PET הממוחזר התקרב לזה של PET ורגיל שעובד באותה שיטה, אף על פי שהחומר הממוחזר עדיין הכיל עקבות של מזהמים מתקופתו כבקבוקים.

ספיגה מהירה לבניית מבנה

בהמשך הממברנה המומסת של שני מסוגי הגלילים (טופלו ולא טופלו) הוצקה דרך חורים זעירים ליצירת סיבים, שנמשכו במהירות גבוהה — שיטה הנקראת ספיגה מותכת. על‑ידי שינוי מהירות המשיכה מ‑1000 עד 4000 מטר לדקה, יכלו החוקרים לשלוט בכמה החוטים המומסים נמתחו בזמן שהם מתקררים. באמצעות ניתוח תרמי וגילוי קרני רנטגן נתקבל שהמהירויות הגבוהות מקדמות יישור השרשראות והגבשה לאורך ציר הסיב, מה שמעלה את נקודת ההתכה ואת הסדר הפנימי של הסיבים. מעניין שברזים שנעשו מ‑PET שעבר SSP החלו להציג מבנה גבישי ברור במהירויות נמוכות יותר מאשר PET שלא טופל, כלומר השרשראות המתוקנות והארוכות היו מוכנות יותר להתארגן לאזורים מאורגנים וחזקים במהלך הספיגה.

חוזק שמתחרה בפלסטיק חדש

בדיקות מכניות של הסיבים הנובעים איששו את מה שהמדידות המבניות רמזו. עם עליית מהירות הספיגה, כל הסיבים התחזקו (עלייה בחוזק הפריטה) אך התמתחו פחות לפני השבירה — סימן למבנה מיושר וגבישי יותר. לאחר SSP, גם PET ורגיל וגם PET ממוחזר הראו ביצועים משופרים בסך‑הכל. הבולט ביותר: כאשר mr‑PET שעבר SSP ב‑230 °C למשך 6 שעות הופעל בספיגה מותכת במהירות 3000 מ'/דקה, החוזק שלו היה זהה למעשה לזה של סיבי v‑PET שעברו עיבוד דומה — בסביבות 4.4 גרם לפרדן. במילים אחרות, אף על פי שנשא היסטוריה של שימוש, איסוף ועיבוד מחדש, החומר הממוחזר ניתן לשילוב כך שיתאים לחוזק של PET "חדש" בחוטים תעשייתיים.

מה זה אומר למוצרים יום‑יומיים

לקהל הרחב, המסקנה פשוטה: עם כוונון מדויק של טיפול חום ותנאי ספיגה, ניתן להפוך בקבוקי פלסטיק לסיבים ביצועיים גבוהים המתאימים לשימושים תעשייתיים דרישותיים — לא רק למוצרים זולים. באמצעות SSP לשיקום השרשראות הפולימריות ואופטימיזציה של מהירות הספיגה ליישורן, המאמר מראה כי PET ממוחזר מכנית יכול להתגבר על חולשותיו הרגילות ולעמוד הכתף אל הכתף עם החומר הוויגינלי. זה פותח פתח לשימוש מעגלי יותר ב‑PET, שבו טקסטילים טכניים כבדים — חשבו חלקי רכב, בדים לבנייה וחבלים כבדים — יכולים להיות מיוצרים מאותם בקבוקים ששם פעם הפסקנו אותם לפח המיחזור.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סיבי PET ממוחזר, פולימריזציה במצב מוצק, ספיגה מותכת, מיחזור בקבוקי פלסטיק, חוט פוליאסטר לתעשייה