Uendeligt genanvendelig polymer viser praktiske egenskaber af plast

Verden blev forelsket i plastik, fordi de er billige, praktisk, let og langtidsholdbar. Af de samme grunde, plastik er nu ved at ødelægge jorden.

Colorado State University kemikere har annonceret i tidsskriftet Videnskab endnu et stort skridt mod affaldsfrihed, bæredygtige materialer, der en dag kunne konkurrere med konventionel plast. Anført af Eugene Chen, professor ved Institut for Kemi, de har opdaget en polymer med mange af de samme egenskaber, som vi nyder godt af i plastik, såsom let vægt, varmebestandighed, styrke og holdbarhed. Men den nye polymer, i modsætning til typiske petroleumsplastik, kan konverteres tilbage til sin oprindelige lille molekyle tilstand for fuldstændig kemisk genanvendelighed. Dette kan opnås uden brug af giftige kemikalier eller intensive laboratorieprocedurer.

Polymerer er en bred klasse af materialer kendetegnet ved lange kæder af kemisk bundne, gentagne molekylære enheder kaldet monomerer. Syntetiske polymerer omfatter i dag plast, samt fibre, keramik, gummier, belægninger, og mange andre kommercielle produkter.

Arbejdet bygger på en tidligere generation af en kemisk genanvendelig polymer, Chens laboratorium blev først demonstreret i 2015. At lave den gamle version krævede ekstremt kolde forhold, som ville have begrænset dets industrielle potentiale. Den tidligere polymer havde også lav varmebestandighed og molekylvægt, og, mens plastik-lignende, var forholdsvis blød.

Men den grundlæggende viden opnået fra denne undersøgelse var uvurderlig, sagde Chen. Det førte til et designprincip for udvikling af fremtidige generations polymerer, der ikke kun er kemisk genanvendelige, men udviser også robuste praktiske egenskaber.

Den nye, meget forbedret polymerstruktur løser problemerne med førstegenerationsmaterialet. Monomeren kan bekvemt polymeriseres under miljøvenlig, industrielt realistiske forhold:fri for opløsningsmidler, ved stuetemperatur, med blot et par minutters reaktionstid og kun en spormængde af katalysator. Det resulterende materiale har en høj molekylvægt, termisk stabilitet og krystallinitet, og mekaniske egenskaber, der fungerer meget som en plastik. Mest vigtigt, polymeren kan genbruges tilbage til sin oprindelige monomer tilstand under milde laboratorieforhold, ved hjælp af en katalysator. Uden behov for yderligere rensning, monomeren kan repolymeriseres, dermed etablere det, Chen kalder en cirkulær livscyklus for materialer.

Dette stykke innovativ kemi har Chen og hans kolleger begejstret for en fremtid, hvor nye, grøn plastik, i stedet for at overleve på lossepladser og have i millioner af år, kan simpelthen placeres i en reaktor og, i kemisk sprogbrug, depolymeriseret for at genvinde deres værdi - ikke muligt for nutidens petroleumsplast. Tilbage til sit kemiske udgangspunkt, materialet kunne bruges igen og igen - helt omdefinere, hvad det vil sige at "genbruge".

"Polymerne kan genbruges kemisk og genbruges, i princippet, uendeligt, " sagde Chen.

Chen understreger, at den nye polymerteknologi kun er blevet demonstreret på den akademiske laboratorieskala. Der er stadig meget arbejde at gøre for at perfektionere de patentanmeldte monomer- og polymerproduktionsprocesser, som han og kolleger har opfundet.

Ved hjælp af et frøbevilling fra CSU Ventures, kemikerne optimerer deres monomersynteseproces og udvikler, ny, endnu mere omkostningseffektive veje til sådanne polymerer. De arbejder også på skalerbarhedsproblemer på deres monomer-polymer-monomer genbrugsopsætning, samtidig med at der forskes yderligere i nye kemiske strukturer for endnu bedre genanvendelige materialer.

"Det ville være vores drøm at se denne kemisk genanvendelige polymerteknologi materialisere sig på markedet, " sagde Chen.