Ny katalytisk proces gør plastposer til lim

Mens mange byer og otte stater har forbudt engangsplastik, poser og anden polyethylenemballage tilstopper stadig lossepladser og forurener floder og have.

Et stort problem med genanvendelse af polyethylen, som udgør en tredjedel af al plastikproduktion på verdensplan, er økonomisk:Genbrugsposer ender i lavværdiprodukter, såsom dæk og byggematerialer, giver lidt incitament til at genbruge affaldet.

En ny kemisk proces udviklet ved University of California, Berkeley, konverterer polyethylenplast til et stærkt og mere værdifuldt klæbemiddel og kan ændre denne beregning.

"Visionen er, at du ville tage en plastikpose, der ikke har nogen værdi, og i stedet for at smide det væk, hvor det ender på en losseplads, du ville gøre det til noget af høj værdi, "sagde John Hartwig, Henry Rapoport-stolen i organisk kemi ved UC Berkeley og leder af forskerholdet. "Du kunne ikke tage alt dette genbrugsplast - der produceres hundredvis af milliarder pund polyethylen hvert år - og gøre det til et materiale med klæbende egenskaber, men hvis du tager en brøkdel af det og gør det til noget, der er af høj værdi, det kan ændre økonomien i at gøre resten af ​​det til noget, der er af mindre værdi."

For de fleste plastik, genanvendelse betyder at hakke det op og forme det til generiske produkter, i processen med at smide mange af ejendommene omhyggeligt ud i den originale plast, såsom smidighed og nem behandling. Og mens nye metoder til genbrug kan nedbryde plastik til deres kemiske bestanddele til brug som brændstof eller smøremidler, disse produkter, også, er af lav værdi og kan være miljømæssigt tvivlsomme - et andet fossilt brændstof at brænde - eller have en kort levetid.

For at gøre genbrug mere attraktivt, forskere og plastindustrien har ledt efter måder at "upcycle" - dvs. omdanne genbrugsplastik til noget mere værdifuldt og længere levetid.

Den kemiske proces, som Hartwig og hans kolleger udviklede, bevarer mange af polyethylens oprindelige egenskaber, men tilføjer en kemisk gruppe til polymeren, der får den til at klæbe til metal:noget polyethylen normalt klarer sig dårligt. Hans hold viste, at den modificerede polyethylen endda kan males med vandbaseret latex. Latex kan nemt skrælles af standard lavdensitetspolyethylen, benævnt LDPE.

Papiret, der beskriver denne proces, vil blive offentliggjort online den 17. december i tidsskriftet Chem og udkommer i januars trykte udgave.

"Vi er i stand til at forbedre vedhæftningen, samtidig med at alle de andre egenskaber ved polyethylen, som industrien finder så nyttige, bevares, "sagde medforfatter Phillip Messersmith, klassen fra 1941 Professor i UC Berkeleys afdelinger for bioteknik og materialevidenskab og teknik. "Bearbejdeligheden, termisk stabilitet og mekaniske egenskaber ser ud til at være uskadte, mens de forbedrer vedhæftningen. Det er svært at gøre. Det er virkelig der, vi har nogle spændende ting at vise."

Selvom processen endnu ikke er økonomisk til industriel brug, Hartwig mener, at det kan forbedres og kan være udgangspunktet for at tilføje andre egenskaber udover klæbrighed. Succesen antyder også, at andre katalysatorer kunne arbejde med andre typer plast, såsom polypropylen, der findes i genbrugte plastflasker, at producere produkter af højere værdi, som er økonomisk attraktive.

Tweaking kulbrintekæder

Hartwig har specialiseret sig i at designe nye katalytiske processer - i dette tilfælde tilføjelse af små kemiske enheder til store carbonhydridkæder, eller polymerer, på meget specifikke steder - for at skabe "funktionaliserede polymerer" med nye og nyttige egenskaber. Sådanne reaktioner er svære, fordi et væsentligt salgsargument for plast er, at de er modstandsdygtige over for kemiske reaktioner.

Til dette projekt, han ville se, om han kunne tilføje en hydroxylgruppe - ilt bundet til hydrogen, eller OH - ved en lille del af carbon-hydrogen-bindingerne langs polyethylenkæden.

"Polyethylen har normalt mellem 2, 000 og 10, 000 kulstof i en kæde, med to hydrogenatomer på hvert kulstof - virkelig, det er et hav af CH2-grupper, kaldet methylener, " sagde han. "Vi dykkede ned i litteraturen for at lede efter den mest aktive katalysator, vi kunne finde til funktionalisering af en methylenposition."

Katalysatoren skulle arbejde ved høje temperaturer, da den faste genbrugsplast skal smeltes. Også, det skal virke i et opløsningsmiddel, der er upolært, og dermed i stand til at blande sig med polyethylen, som er upolær. Dette er en af ​​grundene til, at den ikke klæber til metaller, som er polære, eller opkrævet.

Hartwig og postdoc Liye Chen slog sig ned på en ruthenium-baseret katalysator (polyfluoreret rutheniumporphyrin), der opfyldte disse krav og også kunne tilføje OH-grupper til polymerkæden, uden at den meget reaktive hydroxyl bryde polymerkæden fra hinanden.

Reaktionen, overraskende, fremstillet en polyethylenforbindelse, der klæber tæt til aluminiummetal, formentlig ved hjælp af OH-molekylerne fæstnet langs polyethylens kulbrintekæde. For bedre at forstå vedhæftningen, Chen slog sig sammen med Katerina Malollari, en kandidatstuderende i Messersmiths laboratorium, som fokuserer på biologiske væv med klæbende egenskaber - især en lim produceret af muslinger.

Chen og Malollari opdagede, at tilsætning af en relativt lille procentdel alkohol til polymeren øgede vedhæftningen 20 gange.

"Katalysen introducerede kemiske ændringer til mindre end 10% af polymeren, alligevel dramatisk forbedret dens evne til at klæbe til andre overflader, " sagde Messersmith.

At få polyethylen til at klæbe til ting - herunder latexmaling - åbner mange muligheder, han tilføjede. Kunstige hoftehuler og knæimplantater integrerer ofte polyethylen med metalkomponenter og kan gøres bedre til at klæbe til metal. Funktionaliseret polyethylen kan bruges til at belægge elektriske ledninger, levere limen, der klæber andre polymerer sammen - i mælkekartoner, for eksempel – eller lav mere holdbare kompositter af plast og metal, såsom i legetøj.

"Værket her er at kunne introducere disse funktionelle grupper, som hjælper med at løse mange langvarige problemer i polyethylenadhæsion:adhæsion af polyethylen til anden polyethylen eller til andre polymerer, såvel som til metal, " sagde Messersmith.

Hartwig forudser flere muligheder for funktionalisering af komplekse polymerer, inklusive den mest almindelige plastik, polypropylen.

"Vi er en af ​​de eneste grupper nogen steder, der har været i stand til selektivt at introducere en funktionel gruppe til langkædede kulbrintepolymerer, " sagde han. "Andre mennesker kan bryde lænkerne, og andre kan cykle rundt i kæderne, men faktisk at introducere en polær funktionel gruppe i kæderne er noget, ingen andre har været i stand til."