Ученые Массачусетского технологического института (MIT) разработали эластичную нить из совместимых разновидностей полиэтилена. В лаборатории материал выдержал десять циклов переплавки и повторного формования без заметного снижения прочности. По замыслу авторов, разработка может упростить переработку спортивной одежды и других вещей, в которых сегодня спандекс соединяют с полиэстером или нейлоном. Однако успешный эксперимент с чистой нитью еще не означает, что технология готова к массовому выпуску одежды. Какие еще испытания должен пройти материал и как он изменит модную индустрию — в материале «Известий».

Современные эластичные ткани обычно производят из нескольких материалов. Спандекс, представляющий собой полиуретановое волокно, отвечает за растяжимость, но обладает сравнительно невысокой прочностью. Поэтому его соединяют с более стойкими волокнами — прежде всего полиэстером или нейлоном. Полученная ткань хорошо переносит нагрузки, однако после окончания срока службы разделить ее на исходные компоненты сложно и дорого.

Инженеры MIT предложили заменить химически разные материалы двумя разновидностями полиэтилена. Для сердцевины они выбрали мягкий полиэтиленовый сополимер, способный растягиваться, а для внешней части — более жесткое полиэтиленовое волокно. Последнее спирально наматывается на сердцевину и придает нити дополнительную прочность. Исходные гранулы плавят примерно при 177 градусах, после чего пропускают через экструдеры и вытягивают в тонкие волокна. Авторы сравнивают этот процесс с работой машины для изготовления спагетти.

Обе части нити относятся к одному химическому семейству, поэтому перед переработкой их не требуется разделять. Использованный материал можно расплавить, а затем снова сформовать в волокно либо направить на изготовление других изделий, например, пуговиц, пряжек или пластиковых деталей. Исследователи полагают, что технологию можно масштабировать до производства промышленных катушек.

Принципиальная новизна состоит в получении эластичной нити из полимера, который обычно не относят к эластичным материалам, объяснила «Известиям» профессор кафедры химических технологий имени профессора А.А. Хархарова Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна Анна Михайловская.

— Эту нить можно рассматривать как бикомпонентную, в которой есть ядро и оболочка. Обычно они состоят из разных полимеров, каждый из которых придает материалу определенные свойства. Здесь используется полиэтилен одинаковой химической природы, но с разными физическими свойствами. Один компонент обеспечивает эластичность, а второй отвечает за прочность, — рассказала эксперт.

Руководитель направления исследований и консалтинга компании «ЭкоТехнологии» Ольга Стадник также обращает внимание на «односемейный» состав материала. По ее словам, сочетание эластичности и прочности достигнуто не за счет сшивающих агентов или дополнительных полимеров, а посредством управления молекулярной архитектурой полиэтилена.

— Мягкий сополимер в центре ведет себя как резинка, а более жесткий материал выполняет функцию прочной оболочки. Традиционные эластичные ткани состоят из полимеров, которые плохо сочетаются при переработке, в том числе из-за разной температуры плавления. В новом материале эта проблема частично снимается, — пояснила она.

Разработчики сравнили полиэтиленовую нить с коммерческим материалом из полиэстера и спандекса. Новый образец продемонстрировал сопоставимую растяжимость, а по максимальной нагрузке перед разрывом превзошел использованную для сравнения нить. В MIT считают, что материал в перспективе можно будет вплетать в легкие и эластичные ткани.

Однако говорить о полноценной замене спандекса пока преждевременно. Анна Михайловская напомнила, что полиуретановое волокно способно увеличиваться в длину в пять–семь раз, а после снятия нагрузки возвращаться к исходным размерам. Выдерживает ли новый материал многократные деформации такого масштаба на протяжении всего срока эксплуатации изделия, еще предстоит выяснить.

— Нить — это еще не готовое изделие. Из нее необходимо произвести ткань или трикотаж, и пока неясно, как она будет вести себя при ткачестве, вязании и последующей эксплуатации. Кроме того, для белья наряду с полиуретаном обычно используют хлопок или вискозу, которые впитывают влагу и обеспечивают тактильный комфорт. Полиэтилен является гидрофобным материалом и такими свойствами не обладает, — отметила специалист.

По ее мнению, одним из первых направлений применения могут стать не одежда и белье, а нетканые материалы для медицины, пищевой промышленности и строительства. Полиэтиленовые изделия могут быть легкими, прочными, химически инертными, устойчивыми к влаге и при этом воздухопроницаемыми за счет структуры материала.

Дополнительной проблемой остается окрашивание. Спандекс и многие традиционные волокна можно красить в водных растворах, тогда как полиэтилен практически не взаимодействует с такими красителями. Пигмент придется вводить непосредственно в расплав перед формованием нити. Как он повлияет на эластичность, прочность и качество вторичного сырья после нескольких переплавок, пока неизвестно.

Сам полиэтилен также недостаточно устойчив к длительному воздействию ультрафиолета. Если материал предполагается применять для купальников или спортивной одежды, в его состав придется добавлять светостабилизаторы. Это позволит увеличить срок службы вещи, но одновременно усложнит состав сырья и потребует проверки его пригодности к повторной переработке.

Для проверки перерабатываемости ученые изготовили катушку нити, расплавили материал и снова сформовали его в волокно. Эту процедуру повторили десять раз, после каждого цикла измеряя механические характеристики. Переработанные образцы сохраняли прочность, сопоставимую с исходным материалом. В то же время в сообщении MIT уточняется, что из переработанного полиэтилена получали новую прочную внешнюю нить, которую затем можно было наматывать на вновь изготовленную эластичную сердцевину. Поэтому утверждать, что вся конструкция без изменений десять раз превращалась в точно такую же эластичную нить, было бы некорректно.

По словам Ольги Стадник, десять циклов без существенной потери прочности — сильный лабораторный результат: подобную устойчивость демонстрируют далеко не все полимеры, применяемые даже для упаковки и хозяйственных изделий. Но испытание проводилось в контролируемых условиях и с чистым материалом, тогда как реальные отходы почти всегда загрязнены.

— Нужно проверить, как материал поведет себя после попадания в него пуговиц, молний, этикеток и посторонних швейных нитей. Важно изучить изменение молекулярно-массового распределения: прочность может сохраниться, но при повторном прядении способна увеличиться обрывность. Отдельный вопрос — не будут ли красители и добавки деградировать при нагревании с образованием побочных продуктов, — подчеркнула эксперт.

Для переработчика значение имеет не только число лабораторных циклов, но и качество конечного продукта. Даже если после повторного плавления материал уже нельзя будет превратить в эластичную одежду, из него теоретически можно получить пленку или другое полиэтиленовое изделие. Такая схема позволит вернуть полимер в хозяйственный оборот, но это уже будет не замкнутый цикл «одежда в одежду», а переработка с понижением качества и ценности продукции.

Проблема текстильных отходов имеет глобальный масштаб. По оценкам Европейского агентства по окружающей среде, в 2020 году в странах ЕС образовалось около 6,95 млн т таких отходов — примерно по 16 кг на человека. Только 4,4 кг на человека собрали отдельно для повторного использования и переработки, а 11,6 кг попали в смешанные коммунальные отходы. Средний показатель отдельного сбора текстиля в европейских странах составлял лишь около 12%.

Смешанный состав вещей остается одним из главных технологических препятствий. Для переработки материала из полиэстера и спандекса компоненты необходимо химически разделить. Как пояснила Анна Михайловская, при гидролизе или гликолизе может образоваться сложная смесь терефталевой кислоты, аминов и полиолов, которую затем также требуется разделить и очистить.

— Когда изделие состоит из полимеров разной химической природы, переработка включает несколько реакций либо приводит к смеси целевых продуктов. Ее разделение очень трудоемко. Если материал изготовлен только на основе полиэтилена, процесс значительно упрощается, — рассказала она.

Теоретически из полиэтиленовых материалов можно изготовить не только ткань, но и швейные нити, молнии, пуговицы и застежки. Тогда вещь можно будет измельчить и расплавить целиком. Однако мономатериальный состав сам по себе не гарантирует переработку.

— Инновация отвечает на вопрос «можно ли переработать», но вопрос «будут ли перерабатывать» гораздо сложнее. Одежда из полиэтилена, попавшая в поток хлопковых или полиэфирных тканей, способна загрязнить вторичное сырье. Поэтому, вероятнее всего, всё равно потребуются отдельные сбор и сортировка, — отметила эксперт.

Для распознавания состава вещей могут понадобиться маркировка и автоматизированная сортировка. Подобные технологии уже проходят промышленную проверку. Как сообщало агентство Associated Press, установленная в Китае автоматизированная система способна сортировать до 100 кг одежды за две–три минуты, тогда как человеку на такой объем требуется около четырех часов. Однако даже точное распознавание материала не решает вопроса экономики: отдельный поток появляется только тогда, когда отходов достаточно много, а на полученное сырье существует стабильный спрос.

Полный экологический эффект новой нити также еще предстоит оценить. Для этого потребуется анализ жизненного цикла: объем энергии при изготовлении и переплавке, углеродный след, расход воды, срок службы изделия и вероятность образования микропластика.

В России инфраструктура переработки одежды расширяется, хотя по-прежнему охватывает лишь небольшую часть образующихся отходов. По данным Российского экологического оператора, число предприятий в реестре утилизаторов текстиля увеличилось с четырех в конце 2024 года до 22 в 2026-м, а их совокупная заявленная мощность выросла примерно с 70 тыс. до 274,2 тыс. т в год. Один из крупнейших проектов использует более 5,5 тыс. контейнеров и выпускает из собранного сырья регенерированную пряжу, рабочие перчатки и рукавицы.

Однако значительная часть российской переработки пока основана на механическом измельчении текстиля с последующим производством обтирочных, утеплительных и других технических материалов. Для реализации полноценной цепочки «полиэтиленовое волокно – одежда – новое волокно» понадобятся отдельные мощности по сортировке, мойке, измельчению, плавлению и повторному прядению.

По оценке Ольги Стадник, создание такой системы является не столько непреодолимым техническим барьером, сколько вопросом инвестиций, стандартов и достаточного объема сырья. Если полиэтиленовая одежда будет занимать небольшую долю рынка, выделять ее в отдельный поток может оказаться экономически нецелесообразно. На начальном этапе более реалистичной моделью могли бы стать контролируемые поставки спецодежды, медицинских или технических материалов, которые закупает и после использования собирает одна организация.

Перспективы разработки будут зависеть и от того, удастся ли производителям сохранить простоту состава готовой вещи. Добавление хлопка ради комфорта, эластана для большей растяжимости, сложных красителей или несовместимой фурнитуры вновь превратит ее в многокомпонентное изделие и частично лишит технологию основного преимущества.