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

हर दिन, दुनिया में प्लास्टिक का एक विशाल प्रवाह फेंका जाता है, जिसका बहुत सा हिस्सा पैकेजिंग फिल्मों, कंटेनरों और घरेलू सामानों से आता है। इस अपशिष्ट प्रवाह में दो सबसे आम सामग्रियां लो-डेंसिटी पॉलीथीन (LDPE) और पॉलीप्रोपाइलीन (PP) हैं। हालांकि ये सामग्रियां रासायनिक रूप से समान हैं क्योंकि दोनों गैर-ध्रुवीय (non-polar) प्लास्टिक हैं, लेकिन जब इन्हें एक साथ पिघलाया जाता है, तो ये बहुत अलग व्यवहार करती हैं। तेल और पानी को मिलाने की कोशिश करने की कल्पना करें; आप उन्हें कितनी भी बार हिला लें, वे एक एकल, समान तरल बनाने के बजाय अलग-अलग परतों में विभाजित हो जाते हैं। रीसाइक्लिंग की दुनिया में, यह अलगाव एक बड़ी बाधा है। जब इन दोनों प्लास्टिक को बिना किसी मदद के एक साथ पिघलाया जाता है, तो वे एक कमजोर, भंगुर सामग्री बनाते हैं जो तनाव के तहत टूट जाती है, जिससे मिश्रित कचरा नए, मजबूत उत्पाद बनाने के लिए बेकार हो जाता है। यह मौलिक असंगति इस बात का संकेत है कि मिश्रित प्लास्टिक कचरा अक्सर लैंडफिल या भस्मक (incinerators) में चला जाता है, भले ही उनके व्यक्तिगत घटक मूल्यवान हो सकते थे यदि उन्हें एक साथ काम करने के लिए बनाया जा सकता।

शोधकर्ताओं ने लंबे समय से इस अंतर को पाटने का एक तरीका खोजा है, एक ऐसा तरीका जो इन दोनों जिद्दी प्लास्टिक को आपस में जुड़ने और एक एकल, सुसंगत सामग्री के रूप में कार्य करने के लिए मजबूर कर सके। अज़रबैजान और फ्रांस के वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए रासायनिक योज्य (additive) का उपयोग करके एक आशाजनक समाधान प्रदर्शित किया है। उनका काम अनसॉर्टेड कचरे पर केंद्रित है जिसमें लो-डेंसिटी पॉलीथीन और पॉलीप्रोपाइलीन दोनों शामिल हैं और इसे एक कस्टम-मेड पदार्थ जिसे 'एक्रिलामाइड-फंक्शनलाइज्ड फिनोल-फॉर्मेल्डिहाइड ओलिगोमर' कहा जाता है, के साथ उपचारित किया गया है। यह योज्य एक मध्यस्थ के रूप में कार्य करता है, जो दोनों प्रकार के प्लास्टिक तक रासायनिक रूप से पहुँचकर उन्हें एक साथ थामे रखता है। परिणाम स्वरूप, एक समस्याग्रस्त, मिश्रित अपशिष्ट प्रवाह एक मजबूत, उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री में बदल जाता है जिसे फिर से संसाधित और उपयोग किया जा सकता है।

यह यात्रा अज़रबैजान के सुमागैत में एक स्थानीय पॉलीमर सुविधा से प्राप्त कच्चे माल के साथ शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने लो-डेंसिटी पॉलीथीन और पॉलीप्रोपाइलीन के कचरे वाले दानों से शुरुआत की, और उन्हें छोटे, समान टुकड़ों में काटा ताकि वे समान रूप से मिल सकें। किसी भी मिश्रण से पहले, इन प्लास्टिक कणों को नमी को हटाने के लिए एक ओवन में अच्छी तरह से सुखाया गया था, जो पिघलने की प्रक्रिया के दौरान दोषों को रोकने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। प्रयोग की कुंजी एक नए प्रकार के 'कम्पैटिबिलाइज़र' (compatibilizer) का निर्माण करना था, जो एक ऐसा पदार्थ है जिसे इन दोनों प्लास्टिक के बीच संबंध सुधारने के लिए डिज़ाइन किया गया है। टीम ने इस योज्य को एक फिनोल-फॉर्मेल्डिहाइड रेजिन (जो अक्सर चिपकने वाले पदार्थों और कोटिंग्स में उपयोग किया जाता है) को संशोधित करके संश्लेषित किया, जिसमें इसके ढांचे से एक्रिलामाइड समूहों को जोड़ा गया था। यह रासायनिक संशोधन यादृच्छिक नहीं था; इसे सावधानीपूर्वक इस तरह इंजीनियर किया गया था कि यह एक ऐसा अणु बना सके जो पॉलीथीन और पॉलीप्रोपाइलीन दोनों की विशिष्ट रासायनिक प्रकृति के साथ प्रभावी ढंग से बातचीत कर सके।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह नया योज्य औद्योगिक रीसाइक्लिंग की कठोर परिस्थितियों में जीवित रहेगा, टीम ने पहले इसकी तापीय स्थिरता (thermal stability) का परीक्षण किया। उन्होंने सामग्री को गर्म किया यह देखने के लिए कि यह किस बिंदु पर टूटना शुरू करेगी। परिणामों ने दिखाया कि योज्य 190 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर भी पूरी तरह से स्थिर रहा, जो प्लास्टिक को पिघलाने के लिए उपयोग किया जाता है। यह समय से पहले वाष्पित या विघटित नहीं हुआ। इसके बजाय, इसने अपनी संरचना को बरकरार रखा, जो दोनों प्लास्टिक को एक साथ बांधने के अपने काम को करने के लिए तैयार था। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि एक्रिलामामाइड समूह सफलतापूर्वक रेजिन बैकबोन से जुड़ गए थे, जिससे एक ऐसा अणु बना जिसमें दोनों विषम बहुलकों (polymers) के बीच सेतु का कार्य करने के लिए सही कार्यात्मक समूह मौजूद थे।

योज्य के तैयार होने और स्थिर सिद्ध होने के बाद, शोधकर्ता सम्िश्रण (blending) चरण की ओर बढ़े। उन्होंने एक छोटी मशीन में नए योज्य के साथ अपशिष्ट प्लास्टिक को मिलाया जो औद्योगिक एक्सट्रूज़न (extrusion) की नकल करती है, जो प्लास्टिक को पिघलाने और आकार देने की प्रक्रिया है। उन्होंने पचास प्रतिशत लो-डेंसिटी पॉलीथीन और पचास प्रतिशत पॉलीप्रोपाइलीन का एक निश्चित अनुपात उपयोग किया, जिसमें कुल वजन के दो से आठ प्रतिशत के बीच कम्पैटिबिलाइज़र डाला गया। मिश्रण को 190 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया और एक स्क्रू तंत्र के माध्यम से गुजारा गया जिसने सामग्रियों को काटते हुए और मिलाते हुए मिश्रित किया। इस प्रतिक्रियाशील प्रक्रिया ने योज्य को प्लास्टिक के साथ इंटरैक्ट करने की अनुमति दी जब वे पिघली हुई अवस्था में थे, जिससे उस इंटरफेस पर रासायनिक लिंक बने जहाँ दोनों सामग्रियां मिलती हैं।

सबसे उल्लेखनीय सफलता का प्रमाण परिणामी सामग्री की सूक्ष्म संरचना को देखकर आया। जब शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के नीचे अनमॉडिफाइड (unmodified) मिश्रण का परीक्षण किया, तो छवि ने एक ऊबड़-खाबड़, अराजक परिदृश्य को प्रकट किया। दोनों प्लास्टिक बड़े, स्पष्ट द्वीपों में अलग हो गए थे जिनके बीच ऊबड़-खाबड़ सीमाएं और दृश्य अंतराल (gaps) थे। ये अंतराल कमजोर बिंदु थे जहां सामग्री आसानी से टूट सकती थी। इसके विपरीत, नए योजक वाले नमूनों ने एक पूरी तरह से अलग तस्वीर दिखाई। ऊबड़-खाबड़, अलग डोमेन गायब हो गए, और उनकी जगह एक चिकनी, निरंतर सतह ने ले ली जहाँ दोनों प्लास्टिक आपस में गहराई से मिले हुए थे। उनके बीच की सीमाएं अस्पष्ट हो गईं, और सामग्री दो मिश्रणों के बजाय एक एकल, एकीकृत पदार्थ की तरह दिखने लगी। इस दृश्य परिवर्तन ने संकेत दिया कि योजक ने परतों के बीच के तनाव को सफलतापूर्वक कम कर दिया था, जिससे वे मजबूती से चिपकने और तनाव को प्रभावी ढंग से साझा करने में सक्षम हुए।

आगे के परीक्षणों ने पुष्टि की कि यह संरचनात्मक परिवर्तन वास्तविक भौतिक सुधारों में परिवर्तित हुआ। जब टीम ने पिघली हुई अवस्था में सामग्री के प्रवाह को मापा, तो उन्हें एक महत्वपूर्ण बदलाव मिला। अनमॉडिफाइड अपशिष्ट प्लास्टिक आसानी से बहता था, जैसे पतला शहद, जो एक कमजोर, असंबद्ध मिश्रण की विशेषता है। हालांकि, संशोधित मिश्रण बहुत धीरे और अधिक प्रतिरोध के साथ प्रवाहित हुआ। इस विस्कोसिटी (viscosity) में वृद्धि ने सुझाव दिया कि अणु अब एक-दूसरे के पास स्वतंत्र रूप से फिसल नहीं रहे थे, बल्कि नए रासायनिक संबंधों द्वारा एक साथ पकड़े गए थे। सामग्री अधिक गाढ़ी और सुसंगत हो गई थी, जो एक मजबूत आंतरिक संरचना का संकेत था।

मिश्रण के तापीय व्यवहार में भी एक ऐसा बदलाव आया जो बेहतर एकीकरण की ओर इशारा करता था। जब अनमॉडिफाइड प्लास्टिक को गर्म किया गया, तो वे दो अलग-अलग तापमानों पर पिघले, जो स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि वे दो अलग संस्थाओं के रूप में कार्य कर रहे थे। लो-डेंसिटी पॉलीथीन लगभग 110 डिग्री सेल्सियस पर पिघल गया, जबकि पॉलीप्रोपाइलीन 165 डिग्री सेल्सियस के पास पिघला। हालांकि, योजक के साथ उपचारित मिश्रण ने एक अधिक एकीकृत पिघलने का पैटर्न दिखाया। दो अलग-अलग शिखरों (peaks) के बजाय, सामग्री ने एक एकल, व्यापक पिमान (melting range) प्रदर्शित किया। इस बदलाव ने सुझाव दिया कि दोनों बहुलक इतनी निकटता से परस्पर क्रिया कर रहे थे कि वे एक साथ व्यवस्थित होने लगे, जिसे सह-क्रिस्टलीकरण (co-crystallization) कहा जाता है, जो अनुकूलता का एक मजबूत संकेतक है।

नए सामग्री के स्थायता का परीक्षण भी इसे जलने तक गर्म करके किया गया। अनमॉडिफाइड कचरे ने गैस में पूरी तरह बदलने के बजाय, लगभग 1.0 wt% चार (char) अवशेष छोड़ा। हालांकि, योजक वाले मिश्रणों ने काफी अधिक ठोस अवशेष छोड़ा। जैसे-जैसे योजक की मात्रा बढ़ी, इस सुरक्षात्मक अवशेष की मात्रा भी बढ़ती गई, जो उच्चतम सांद्रता वाले नमूनों में 7.9 wt% तक पहुँच गई। चार का बनना यह दर्शाता है कि योजक ने प्लास्टिक के भीतर एक अधिक स्थिर, क्रॉसलिंक्ड नेटवर्क बनाया, जो उच्च तापमान को सहन कर सकता है और कच्चे कचरे की तुलना में तेजी से टूटने का विरोध कर सकता है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने सामग्रियों के घनत्व (density) को मापा ताकि यह देखा जा सके कि अणु कितनी मजबूती से पैक हैं। अनमॉडिफाइड कचरे का घनत्व कम था, जो यह दर्शाता है कि संरचना के भीतर सूक्ष्म रिक्त स्थान और अंतराल थे जहाँ दोनों प्लास्टिक आपस में नहीं मिल पाए थे। संशोधित मिश्रण लगातार अधिक घने थे, जिससे पता चलता कि योजक ने सामग्रियों को एक-दूसरे के करीब धकेल दिया था, उन खाली स्थानों को समाप्त कर दिया और एक अधिक सघन, ठोस संरचना बनाई। यह घनतीकरण, बेहतर प्रवाह प्रतिरोध और तापीय स्थिरता के साथ मिलकर, एक स्पष्ट तस्वीर पेश करता है कि सामग्री को मौलिक रूप से एक कमजोर, अलग मिश्रण से एक मजबूत, एकीकृत कंपोजिट में अपग्रेड किया गया है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह दृष्टिकोण मिश्रित पॉलीओलेफिन कचरे के पुनर्चक्रण (recycling) के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। इन असंगत प्लास्टिक को जोड़ने के लिए एक विशेष रूप से निर्मित योजक का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि अनसॉर्टेड प्लास्टिक कचरे को एक संरचनात्मक रूप से मजबूत थर्मोप्लास्टिक सामग्री में बदलना संभव है। यह विधि महंगे और समय लेने वाले पृथक्करण प्रक्रियाओं की आवश्यकता को दरकिनार करती है, जिससे एक कठिन अपशिष्ट प्रवाह को उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों के लिए एक संसाधन में बदला जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही रासायनिक हस्तक्षेप के साथ, मिश्रित प्लास्टिक रीसाइक्लिंग की सीमाओं को पार किया जा सकता है, जिससे प्लास्टिक संसाधनों के अधिक टिकाऊ और कुशल उपयोग का मार्ग प्रशस्त होता है।