Forskere opfinder processen til fremstilling af bæredygtigt gummi, plastik

Syntetisk gummi og plast - bruges til fremstilling af dæk, legetøj og utallige andre produkter - er fremstillet af butadien, et molekyle, der traditionelt er fremstillet af petroleum eller naturgas. Men de menneskeskabte materialer kan snart blive meget grønnere, takket være opfindsomheden hos et hold videnskabsmænd fra tre amerikanske forskningsuniversiteter.

Det videnskabelige hold - fra University of Delaware, University of Minnesota og University of Massachusetts - har opfundet en proces til fremstilling af butadien fra vedvarende kilder som træer, græs og majs.

Fundene, nu online, vil blive offentliggjort i American Chemical Society's ACS Sustainable Chemistry and Engineering , et førende tidsskrift inden for grøn kemi og teknik. Undersøgelsens forfattere er alle tilknyttet Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) baseret på University of Delaware. CCEI er et Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske energiministerium.

"Vores team kombinerede en katalysator, vi for nylig opdagede, med ny og spændende kemi for at finde det første højtydende, lavprismetode til fremstilling af butadien, " siger CCEI-direktør Dionisios Vlachos, Allan og Myra Ferguson professor i kemi- og biomolekylær teknik ved UD og medforfatter til undersøgelsen. "Denne forskning kan forvandle multi-milliard-dollar plastik- og gummiindustrien."

Butadien er den vigtigste kemiske komponent i en bred vifte af materialer, der findes i hele samfundet. Når dette fire-carbon-molekyle gennemgår en kemisk reaktion for at danne lange kæder kaldet polymerer, styren-butadiengummi (SBR) dannes, som bruges til at fremstille slibebestandige bildæk. Når det blandes til nitrilbutadiengummi (NBR), det bliver nøglekomponenten i slanger, tætninger og gummihandskerne allestedsnærværende i medicinske omgivelser.

I plastikkens verden, butadien er den vigtigste kemiske komponent i acrylonitril-butadien-styren (ABS), en hård plast, der kan støbes til stive former. Hård ABS-plast bruges til at lave videospilkonsoller, bildele, sportsudstyr, medicinsk udstyr og sammenlåsende legetøjssten, blandt andre produkter.

I de sidste 10 år har der været en forskydning i retning af et akademisk forskningsfokus på vedvarende kemikalier og butadien, i særdeleshed, på grund af dets betydning i kommercielle produkter, siger Vlachos.

"Vores teams succes kom fra vores filosofi, der forbinder forskning i nye katalytiske materialer med en ny tilgang til kemien, " siger Vlachos. "Dette er et godt eksempel, hvor forskerholdet var større end summen af ​​dets dele."

Ny kemi i tre trin

Den nye kemi omfattede en tre-trins proces, der startede fra biomasse-afledte sukkerarter. Ved at bruge teknologi udviklet inden for CCEI, holdet omdannede sukker til en ringforbindelse kaldet furfural. I andet trin, holdet videreforarbejdede furfural til en anden ringforbindelse kaldet tetrahydrofuran (THF).

Det var i tredje trin, at holdet fandt den banebrydende kemiske fremstillingsteknologi. Ved hjælp af en ny katalysator kaldet "phosphor all-silica zeolit, "udviklet i centret, holdet var i stand til at omdanne THF til butadien med højt udbytte (større end 95 procent).

Holdet kaldte dette for nyt, selektiv reaktion "dehydra-decyklisering" for at repræsentere dens evne til samtidigt at fjerne vand og åbne ringforbindelser på én gang.

"Vi opdagede, at phosphorbaserede katalysatorer understøttet af silica og zeolitter udviser høj selektivitet til fremstilling af kemikalier som butadien, " siger prof. Wei Fan fra University of Massachusetts Amherst. "Når man sammenligner deres evne til at kontrollere visse industrielle kemianvendelser med andre katalysatorers, fosformaterialerne fremstår helt unikke og komplementerer fint det sæt af katalysatorer, vi har udviklet hos CCEI."

Opfindelsen af ​​vedvarende gummi er en del af CCEIs større mission. Påbegyndt i 2009, CCEI har fokuseret på transformationel katalytisk teknologi til at producere vedvarende kemikalier og biobrændstoffer fra naturlige biomassekilder.

"Denne nyere teknologi udvider markant skiferen af ​​molekyler, vi kan fremstille af lignocellulose, "siger professor Paul Dauenhauer fra University of Minnesota, der er meddirektør for CCEI og medforfatter af undersøgelsen.