Kemikere gør hård plast genanvendelig

Termosæt, som omfatter epoxy, polyurethaner, og gummi brugt til dæk, findes i mange produkter, der skal være holdbare og varmebestandige, såsom biler eller elektriske apparater. En ulempe ved disse materialer er, at de typisk ikke let kan genbruges eller nedbrydes efter brug, fordi de kemiske bindinger, der holder dem sammen, er stærkere end dem, der findes i andre materialer såsom termoplast.

MIT kemikere har nu udviklet en måde at modificere hærdeplast med en kemisk linker, der gør materialerne meget nemmere at nedbryde, men giver dem stadig mulighed for at bevare den mekaniske styrke, der gør dem så nyttige.

I en undersøgelse, der vises i dag i Natur , forskerne viste, at de kunne producere en nedbrydelig version af en termohærdende plast kaldet pDCPD, bryde det ned til et pulver, og brug pulveret til at skabe mere pDCPD. De foreslog også en teoretisk model, der antydede, at deres tilgang kunne anvendes på en lang række plastik og andre polymerer, såsom gummi.

"Dette arbejde afslører et grundlæggende designprincip, som vi mener er generelt for enhver form for termohærdning med denne grundlæggende arkitektur, " siger Jeremiah Johnson, en professor i kemi ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen.

Peyton Shieh, en American Cancer Society Postdoc Fellow ved MIT, er avisens første forfatter.

Svært at genbruge

Termodæmpere er en af ​​de to hovedklasser af plast, sammen med termoplast. Termoplast omfatter polyethylen og polypropylen, som bruges til plastikposer og anden engangsplastik som madindpakning. Disse materialer fremstilles ved at opvarme små piller af plastik, indtil de smelter, støb dem derefter i den ønskede form og lad dem køle tilbage til et fast stof.

Termoplast, som udgør omkring 75 procent af verdensomspændende plastikproduktion, kan genbruges ved at opvarme dem igen, indtil de bliver flydende, så de kan omformes til en ny form.

Termohærdende plast er fremstillet ved en lignende proces, men når de først er afkølet fra en væske til et fast stof, det er meget svært at bringe dem tilbage til en flydende tilstand. Det er fordi bindingerne, der dannes mellem polymermolekylerne, er stærke kemiske bindinger kaldet kovalente bindinger, som er meget svære at bryde. Ved opvarmning, hærdeplast vil typisk brænde før de kan omformes, siger Johnson.

"Når de først er sat i en given form, de er i den form for deres levetid, " siger han. "Der er ofte ingen nem måde at genbruge dem på."

MIT-teamet ønskede at udvikle en måde at bevare de positive egenskaber ved hærdeplast – deres styrke og holdbarhed – og samtidig gøre dem nemmere at nedbryde efter brug.

I et papir udgivet sidste år, med Shieh som hovedforfatter, Johnsons gruppe rapporterede en måde at skabe nedbrydelige polymerer til lægemiddellevering, ved at inkorporere en byggeklods, eller monomer, indeholdende en silylethergruppe. Denne monomer er tilfældigt fordelt i hele materialet, og når materialet udsættes for syrer, baser, eller ioner såsom fluorid, silyletherbindingerne brydes.

Den samme type kemisk reaktion, der bruges til at syntetisere disse polymerer, bruges også til at fremstille nogle termohærdende plastik, herunder polydicyclopentadien (pDCPD), som bruges til karosseripaneler i lastbiler og busser.

Ved at bruge den samme strategi fra deres 2019 papir, forskerne tilføjede silylethermonomerer til de flydende prækursorer, der danner pDCPD. De fandt ud af, at hvis silylethermonomeren udgjorde mellem 7,5 og 10 procent af det samlede materiale, pDCPD ville bevare sin mekaniske styrke, men kunne nedbrydes til et opløseligt pulver ved eksponering for fluoridioner.

"Det var den første spændende ting, vi fandt, ", siger Johnson. "Vi kan gøre pDCPD nedbrydeligt uden at skade dets nyttige mekaniske egenskaber."

Nye materialer

I anden fase af undersøgelsen forskerne forsøgte at genbruge det resulterende pulver til at danne et nyt pDCPD-materiale. Efter opløsning af pulveret i precursoropløsningen, der blev brugt til at fremstille pDCPD, de var i stand til at lave nye pDCPD termohærder af det genbrugte pulver.

"Det nye materiale kan næsten ikke skelnes, og på nogle måder forbedret, mekaniske egenskaber sammenlignet med det originale materiale, " siger Johnson. "Det er spændende at vise, at du kan tage nedbrydningsprodukterne og lave den samme termohærdning igen ved hjælp af den samme proces."

Forskerne mener, at denne generelle tilgang også kan anvendes på andre typer af termohærdende kemi. I dette studie, de viste, at det er meget mere effektivt at bruge nedbrydelige monomerer til at danne de individuelle strenge af polymererne end at bruge nedbrydelige bindinger til at "tværbinde" strengene sammen, som er prøvet før. De mener, at denne kløvbare streng-tilgang kunne bruges til at generere mange andre former for nedbrydelige materialer.

Hvis de rigtige typer nedbrydelige monomerer kan findes til andre typer polymerisationsreaktioner, denne tilgang kunne bruges til at lave nedbrydelige versioner af andre termohærdende materialer såsom akryl, epoxy, silikoner, eller vulkaniseret gummi, siger Johnson.

Forskerne håber nu at danne et selskab til at licensere og kommercialisere teknologien. MIT har også givet Millipore Sigma en ikke-eksklusiv licens til at fremstille og sælge silylethermonomerer til forskningsformål.

Patrick Casey, en ny produktkonsulent hos SP Insight og en mentor hos MIT's Deshpande Center for Technological Innovation, har arbejdet sammen med Johnson og Shieh for at evaluere teknologien, herunder at udføre nogle foreløbige økonomiske modeller og sekundære markedsundersøgelser.

"Vi har diskuteret denne teknologi med nogle førende industriaktører, som fortæller os, at det lover at være godt for interessenter i hele værdikæden, Casey siger. "Delfabrikanter får en strøm af billige genbrugsmaterialer; udstyrsproducenter, såsom bilvirksomheder, kan opfylde deres bæredygtighedsmål; og genbrugere får en ny indtægtsstrøm fra hærdeplast. Forbrugerne ser en omkostningsbesparelse, og vi får alle et renere miljø."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.