Влияние твердотельной полимеризации на развитие структуры волокна при плавловой пряже из механически переработанного ПЭТ

Превращение отходов из бутылок в прочные новые волокна

Пластиковые бутылки для напитков повсеместны, и большинство из них изготовлены из ПЭТ — универсального, но инертного материала, который не разлагается в природе. Большая часть этого пластика оказывается на свалках или в окружающей среде. В этом исследовании изучают, можно ли из старых ПЭТ‑бутылок после простой механической переработки получить прочные и надёжные промышленные волокна — такие, как для ремней безопасности, геотекстиля и технических тканей — чтобы вчерашняя бутылка могла стать завтрашней тяжёлой пряжей.

Почему переработанный ПЭТ обычно не дотягивает

Когда ПЭТ‑бутылки механически перерабатывают, их собирают, очищают, измельчают на флаки и переплавляют в гранулы. Этот процесс дешевле и проще химической переработки, но тепло и влага при этом незаметно повреждают длинные цепи ПЭТ, разрезая их на более короткие фрагменты. Такое повреждение снижает ключевой показатель — внутрненнюю вязкость (intrinsic viscosity), который учёные используют как прокси для молекулярной массы и, в конечном счёте, прочности. В результате обычный механически переработанный ПЭТ (mr‑PET) годится для низко‑ и среднеценовых применений, но с трудом соответствует строгим требованиям по прочности и долговечности для промышленных волокон.

Восстановление полимерных цепей мягким нагревом

Чтобы восстановить укороченные цепи, исследователи применили процесс, называемый твердотельной полимеризацией (SSP). Вместо плавления пластика они нагревали гранулы ПЭТ до температур выше стеклосплавной точки, но ниже точки плавления, и выдерживали их в этой зоне несколько часов в вращающемся вакуумном реакторе. В таких условиях концы полимерных цепей постепенно соединяются, увеличивая длину цепей без сильного разрушения, характерного для полного расплава. Команда протестировала ряд температур (220, 230 и 240 °C) и времени выдержки (6, 12 и 18 часов) как для первичного ПЭТ (v‑PET), так и для mr‑PET. Затем они измерили текучесть расплава, вязкость его растворов и изменения молекулярной массы, чтобы проследить, насколько успешно были восстановлены цепи.

Поиск оптимального режима переработки

Анализы показали, что как длина цепей, так и кристалличность — степень упорядоченности полимерной структуры — увеличивались с ростом температуры и времени SSP. Однако более длительная и горячая обработка также означала больший расход энергии и более медленное производство. Исследователи определили режим 230 °C в течение 6 часов как практический компромисс: в этих условиях mr‑PET достигала внутренней вязкости примерно 1.1 дЛ/г, уровня, часто необходимого для высокопрочных промышленных волокон, при разумном времени цикла. При этом средняя молекулярная масса переработанного ПЭТ в целом сопоставима с таковой у первичного ПЭТ, обработанного аналогичным образом, хотя в переработанном материале всё ещё оставались следы примесей от его предыдущей жизни в виде бутылок.

Быстрое прядение для формирования структуры

Далее команда переплавляла как обработанные, так и необработанные гранулы ПЭТ и экструдировала их через мелкие отверстия, формируя нити, которые вытягивали на высокой скорости — метод, известный как плавловое прядение. Изменяя скорость съёма от 1000 до 4000 метров в минуту, они контролировали степень растяжения расплавленных нитей при охлаждении. С помощью термического анализа и рентгеновской дифракции было обнаружено, что более высокие скорости прядения способствуют выравниванию ПЭТ‑цепей и кристаллизации вдоль оси волокна, что, в свою очередь, повышает температуру плавления и внутренний порядок волокон. Интересно, что волокна из SSP‑обработанного ПЭТ начинали проявлять чёткую кристаллическую структуру при более низких скоростях, чем необработанный ПЭТ, что означает — восстановленные, удлинённые цепи легче ориентируются и формируют прочные упорядоченные участки в процессе прядения.

Прочность на уровне первичного пластика

Механические испытания полученных филаментов подтвердили выводы структурных исследований. С увеличением скорости прядения все волокна становились прочнее (выше разрывная нагрузка на ден) и одновременно менее растяжимыми перед разрывом — признак более ориентированного, кристаллического материала. После SSP как первичный, так и переработанный ПЭТ показали общее улучшение характеристик. Особенно заметно: mr‑PET, прошедший SSP при 230 °C в течение 6 часов и затем прядённый при 3000 м/мин, демонстрировал разрывную нагрузку практически на том же уровне, что и аналогично обработанный первичный ПЭТ — около 4.4 г/ден. Иными словами, несмотря на историю использования, сбора и повторной переработки, переработанный материал можно инженерно довести до прочности, сопоставимой с «новым» ПЭТ для промышленных пряж.

Что это означает для повседневных продуктов

Для неспециалиста суть проста: при точно настроенной термообработке и условиях прядения пластиковые бутылки можно превратить в высокофункциональные волокна, годные для нагруженных промышленных применений, а не только для низкопробных изделий. Используя SSP для восстановления полимерных цепей и оптимизируя скорость прядения для их ориентации, исследование показывает, что механически переработанный ПЭТ может преодолеть свои обычные недостатки и стать полноценной альтернативой первичному материалу. Это открывает путь к более циркулярному использованию ПЭТ, при котором технические текстили — автомобильные детали, строительные полотна и тяжёлые канаты — могут изготавливаться из тех самых бутылок, которые мы раньше выбрасывали в контейнер для переработки.

Цитирование: 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

Ключевые слова: волокна из переработанного ПЭТ, твердотельная полимеризация, плавловое прядение, переработка пластиковых бутылок, промышленная полиэфирная пряжа