Compatibilization of LDPE/PP Waste Blends Using Acrylamide-Functionalized Phenol- Formaldehyde

تنتج في كل يوم كميات هائلة من النفايات البلاستيكية، يأتي الكثير منها من أغلفة التغليف، والحاويات، والسلع المنزلية. ومن بين أكثر المواد شيوعاً في تدفق النفايات هذه هما البولي إيثيلين منخفض الكثافة والبولي بروبيلين. وبينما تتشابه هاتان المادتان كيميائياً في كونهما بلاستيكات غير قطبية، إلا أنهما تتصرفان بشكل مختلف تماماً عند صهرهما معاً. تخيل محاولة خلط الزيت والماء؛ فمهما حاولت التحريك، سينفصلان إلى طبقات متميزة بدلاً من تكوين سائل واحد متجانس. وفي عالم إعادة التدوير، يمثل هذا الانفصال عائقاً كبيراً. فعندما يتم صهر هذين النوعين من البلاستيك معاً دون مساعدة، فإنهما يشكلان مادة ضعيفة وهشة تتفكك تحت الضغط، مما يجعل النفايات المختلطة عديمة الفائدة لصنع منتجات جديدة قوية. وهذا التنافر الجوهري يعني أن النفايات البلاستيكية المختلطة غالباً ما ينتهي بها المطاف في المكبات أو المحارق، على الرغم من أن مكوناتها الفردية يمكن أن تكون قيمة إذا أمكن جعلها تعمل معاً.

لقد سعى الباحثون طويلاً لإيجاد طريقة لسد هذه الفجوة، وهي طريقة تجبر هذين البلاستيكين العنيدين على الارتباط والعمل كمادة واحدة متماسكة. وقد أظهر فريق من العلماء من أذربيجان وفرنسا الآن حلاً واعداً باستخدام مادة مضافة مصممة خصيصاً. يركز عملهم على أخذ نفايات غير مصنفة تحتوي على كل من البولي إيثيلين منخفض الكثافة والبولي بروبيلين ومعالجتها بمادة مصممة خصيصاً تسمى "أكريلاميد-وظيفي فينول-فورمالدهيد أوليغومر". تعمل هذه المادة المضافة كوسيط، حيث تمتد كيميائياً لتصل إلى كلا النوعين من البلاستيك لتمسك بهما معاً. والنتي نتيجة لذلك هي تحويل تدفق نفايات إشكالي إلى مادة قوية وعالية الأداء يمكن معالجتها واستخدامها مرة أخرى.

بدأت الرحلة بمواد خام تم الحصول عليها من منشأة بوليمرات محلية في سومغايت، أذربيجان. بدأ الباحثون بحبيبات نفايات من البولي إيثيلين منخفض الكثافة والبولي بروبيلين، وقاموا بتقطيعها إلى قطع صغيرة متساوية لضمان اختلاطها بشكل متساوٍ. وقبل إجراء أي عملية مزج، تم تجفيف جزيئات البلاستيك هذه جيداً في فرن لإزالة أي رطوبة، وهي خطوة حاسمة لمنع العيوب أثناء عملية الصهر. وكان مفتاح التجربة هو إنشاء نوع جديد من "المتوافق" (compatibilizer)، وهي مادة مصممة لتحسين العلاقة بين النوعين من البلاستيك. قام الفريق بتخليق هذه المادة المضافة عن طريق تعديل راتنج الفينول-فورمالدهيد، وهو نوع من البوليمرات المستخدمة غالباً في المواد اللاصقة والطلاءات، عبر ربط مجموعات الأكريلاميد بهيكله. لم يكن هذا التعديل الكيميائي عشوائياً؛ بل تم هندسته بعناية لإنشاء جزيء يمكنه التفاعل بفعالية مع الطبيعة الكيميائية لكل من البولي إيثيلين والبولي بروبيلين.

لضمان بقاء هذه المادة المضافة الجديدة صامدة أمام الظروف القاسية لإعادة التدوير الصناعي، اختبر الفريق أولاً استقرارها الحراري. قاموا بتسخين المادة لمعرفة النقطة التي تبدأ عندها في التحلل. وأظهرت النتائج أن المادة المضافة ظلت مستقرة تماماً حتى درجات حرارة أعلى بكثير من 190 درجة مئوية المستخدمة لصهر البلاستيك. لم تتبخر أو تتحلل قبل الأوان، بل حافظت على هيكلها سليماً، جاهزة للقيام بمهمتها في ربط هذين النوعين من البلاستيك معاً. وأكد التحليل الكيميائي أن مجموعات الأكريلاميد قد تم ربطها بنجاح بالهيكل الراتنجي، مما خلق جزيئاً يمتلك المجموعات الوظيفية المناسبة ليعمل كجسر بين البوليمرات غير المتوافقة.

ومع جاهزية المادة المضافة وإثبات استقرارها، انتقل الباحثون إلى مرحلة المزج. قاموا بخلط نفايات البلاستيك مع المادة المضافة الجديدة في آلة صغيرة تحاكي عملية البثق الصناعي، وهي العملية المستخدمة لصهر وتشكيل البلاستيك. استخدموا نسبة ثابتة قدرها خمسون بالمائة من البولي إيثيلين منخفض الكثافة وخمسون بالمائة من البولي بروبيلين، مع إضافة المادة المتوافقة بكميات تتراوح من اثنين إلى ثمانية في المائة من الوزن الإجمالي. تم تسخين الخليط إلى 190 درجة مئوية ودفع عبر آلية لولبية تعمل على قص وخلط المواد معاً. سمحت هذه العملية التفاعلية للمادة المضافة بالتفاعل مع البلاستيك أثناء حالته المنصهرة، مما خلق روابط كيميائية عند السطح الفاصل حيث تلتقي المادتان.

جاء الدليل الأكثر لفتاً للنظر على النجاح من خلال النظر إلى البنية المجهرية للمادة الناتجة. عندما فحص الباحثون المزيج غير المعدل تحت مجهر إلكتروني قوي، كشفت الصورة عن مشهد فوضوي وخشن؛ حيث انفصل النوعان من البلاستيك إلى "جزر" كبيرة ومتميزة ذات حدود متعرجة وفجوات مرئية بينهما. كانت هذه الفجوات نقاط ضعف حيث يمكن للمادة أن تتشقق بسهولة. في المقابل، أظهرت العينات التي تحتوي على المادة المضافة الجديدة صورة مختلفة تماماً؛ فقد اختفت النطاقات الخشنة والمنفصلة، وحلت محلها مساحة سطح مستمرة وناعمة حيث اختلط النوعان من البلاستيك بشكل وثيق. أصبحت الحدود بينهما غير واضحة، وبدت المادة كأنها مادة واحدة موحدة بدلاً من كونها خليطاً من مادتين. أشارت هذه التغيرات المرئية إلى أن المادة المضافة قد نجحت في تقليل التوتر بين الطبقات، مما سمح لهما بالالتصاق بإحكام وتقاسم الإجهاد بفعالية.

أكدت اختبارات أخرى أن هذا التغيير الهيكلي قد تُرجم إلى تحسينات فيزيائية حقيقية. فعندما قاس الفريق كيفية تدفق المادة أثناء صهرها، وجدوا تحولاً كبيراً؛ إذ كان تدفق نفايات البلاستيك غير المعدلة سهلاً، مثل العسل الخفيف، وهو أمر نموذجي لمزيج ضعيف وغير متصل. ومع ذلك، فإن المزيج المعدل تدفق ببطء أكبر وبمقاومة أكبر. أشار هذا الارتفاع في اللزوجة إلى أن الجزيئات لم تعد تنزلق بجانب بعضها البعض بحرية، بل أصبحت ممسوكة معاً بواسطة الروابط الكيميائية الجديدة التي شكلتها المادة المضافة. لقد أصبحت المادة أكثر كثافة وتماسكاً، وهي علامة على وجود بنية داخلية أقوى.

كما تغير السلوك الحراري للمزيج بطريقة تشير إلى تكامل أفضل. فعند تسخين البلاستيك غير المعدل، انصهر عند درجتي حرارة مختلفتين، مما يوضح بوضوح أنهما يعملان ككيانين منفصلين؛ حيث انصهر البولي إيثيلين منخفض الكثافة عند حوالي 110 درجة مئوية، بينما انصهر البولي بروبيلين بالقرب من 165 درجة مئوية. ومع ذلك، أظهر المزيج المعالج بالمادة المضافة نمط انصهار أكثر توحداً. فبدلاً من وجود ذروتين حادتين ومنفصلتين، أظهرت المادة نطاق انصهار واحداً وأكثر اتساعاً. أشار هذا التحول إلى أن البوليمرين يتفاعلان بشكل وثيق للغاية لدرجة أنهما بدآ في تنظيم أنفسهما معاً، وهي ظاهرة تُعرف باسم "التبلور المشترك" (co-crystallization)، وهي مؤشر قوي على التوافق.

كما تم اختبار متانة المادة الجديدة عن طريق تسخينها حتى احترقت. تركت النفايات غير المعدلة خلفها كمية صغيرة من البقايا، حوالي 1.0% من الوزن، بدلاً من التحول بالكامل إلى غاز. أما المزيجات التي تحتوي على المادة المضافة، فقد تركت خلفها كمية أكبر بكثير من "الفحم" (char) الصلب. ومع زيادة كمية المادة المضافة، زادت كمية هذه البقايا الواقية، لتصل إلى 7.9% في العينات ذات التركيز الأعلى. يعد تكوين الفحم علامة على أن المادة المضافة قد خلقت شبكة أكثر استقراراً ومتشابكة داخل البلاستيك، وهي شبكة يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى ومقاومة التحلل بسرعة أكبر من النفايات الخام.

أخيراً، قام الباحثون بقياس كثافة المواد لمعرفة مدى إحكام تراص الجزيئات. كانت النفايات غير المعدلة ذات كثافة أقل، مما يشير إلى وجود فراغات وفجوات صغيرة داخل البنية حيث فشل النوعان من البلاستيك في التلامس. أما المزيجات المعدلة فكانت أكثر كثافة باستمرار، مما يوحي بأن المادة المضافة قد دفعت المواد لتقترب من بعضها البعض، مما أدى إلى القضاء على تلك المساحات الفارغة وإنشاء بنية أكثر تماسكاً وصلابة. إن هذا التكثيف، جنباً إلى جنب مع تحسن مقاومة التدفق والاستقرار الحراري، يرسم صورة واضحة لمادة تم تطويرها جوهرياً من مجرد خليط ضعيف ومنفصل إلى مركب متكامل وقوي.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم مساراً قابلاً للتطبيق للمضي قدماً في إعادة تدوير نفايات البولي أوليفين المختلطة. فمن خلال استخدام مادة مضافة مصممة خصيصاً لإجبار هذين النوعين من البلاستيك غير المتوافقين على الارتباط، أثبت الباحثون أنه من الممكن تحويل النفايات البلاستيكية غير المصنفة إلى مادة لدنة بالحرارة (thermoplastic) قوية البنية. وتتجاوز هذه الطريقة الحاجة إلى عمليات الفصل المكلفة والمستهلكة للوقت، محولةً تدفق نفايات صعب إلى مورد لتطبيقات عالية الأداء. وتشير النتائج إلى أنه مع التدخل الكيميائي الصحيح، يمكن التغلب على قيود إعادة تدوير البلاستيك المختلط، مما يمهد الطريق لاستخدام أكثر استدامة وكفاءة للموارد البلاستيكية.