Polymerforskernes seneste udvikling resulterer i en ny kop, der tåler kogende væsker

En professor ved University of Akron (UA)s seneste udvikling inden for bioplast har potentialet til at gøre vigtige fremskridt i bæredygtighed for fremtidens plastik.

I laboratoriet hos Dr. Shi-Qing Wang i UA's School of Polymer Science and Polymer Engineering, holdet fokuserer på forskning, der viser effektive strategier til at omdanne skøre polymerer til seje og fleksible materialer. For eksempel, gruppen har for nylig produceret en prototype poly(mælkesyre) (PLA) kop, der er gennemsigtig, super sej og krymper ikke, når den fyldes med kogende vand.

"Plastik er blevet en væsentlig del af vores daglige liv, selvom de fleste ikke kan genbruges og derfor ophobes på lossepladser, " siger Wang, der i øjeblikket fungerer som Kumho Polymer Science Professor. "Nogle lovende bionedbrydelige/komposterbare alternativer, såsom PLA, er typisk ikke stærke nok til at erstatte traditionelle fossilt brændstofbaserede polymerer som poly(ethylenterephthalat) (PET), fordi disse bæredygtige materialer er skøre."

Dr. Ramani Narayan, fremtrædende professor ved Michigan State Universitys afdeling for kemiteknik og materialevidenskab, og anerkendt videnskabsmand i bioplastområdet, siger, at Wangs forskning har potentialet til at blive et gennembrud på PLA-markedet.

"PLA er verdens førende 100% biobaserede og fuldt komposterbare polymer, " siger Narayan. "Men den har lav sejhed og en lav varmeforvrængningstemperatur. Det blødgør og kollapser strukturelt omkring 140 grader Fahrenheit, gør den ubrugelig i mange applikationer til varm madpakke og engangsbeholdere. Dr. Wangs forskning kan være forstyrrende teknologi, fordi hans prototype PLA-kop er hård, gennemsigtig, og dog stiv til at holde kogende vand."

Wang, som har undervist på UA i 20 år, har forsøgt at etablere en videnbase til at forstå forholdet mellem proces-struktur og egenskab for forskellige plasttyper og anvende den nyeste forståelse til at håndtere den berygtede skørhed af PLA.

For at forklare videnskaben bag, hvordan hans prototype PLA-kop er i stand til at opnå duktilitet og opnå varmebestandighed, Wang bruger analogien med kogt spaghetti. Hvis den smeltede PLA forstørres en million gange, hvert kædelignende molekyle ville ligne en spaghettistreng, mange meter i længden. For at termoplast (inklusive PLA) skal være hårdfør, det er vigtigt, at krystallisation ikke fjerner eller forstyrrer sammenfletningen af ​​"spaghetti-strenge".

Wang kalder denne sammenvævede struktur for "kædenetværket". Det er gennem en sådan struktur, at enhver kan samle næsten alle spaghetti-trådene op af en skål med et par spisepinde. Dette kædenetværk, når den manipuleres korrekt, sikrer, at PLA-drikkoppen er mekanisk stærk uden krystallisering. Men sådan en kommerciel kop kollapser, når der hældes kogende vand i den. "Koppere lavet af normalt krystalliseret PLA kan holde kogende vand, men er frygtelig skøre og uigennemsigtige, " sagde Wang.

Ved at undersøge oprindelsen af ​​duktilitet i semikrystallinske polymerer, Wangs forskningsgruppe opdagede en måde at begrænse krystaller til nanoskopiske skalaer i PLA og samtidig bevare netværket, resulterer i det klare, sej og varmebestandig kop. Sådan en gennemsigtig kop kan rumme varm te og kaffe og kan erstatte de fleste plastikdrikkopper på markedet.

"Virkningen af ​​vores nye forståelse kan endelig stimulere PLA-markedet til at vokse eksponentielt, " siger Wang.