Polymer muliggør hårdere genanvendelig termoplast

For at syntetisere plastik, små monomermolekyler skal spændes sammen som perler i en halskæde, skabe lange polymerkæder.

Imidlertid, ikke alle plastik - eller deres polymerer - er skabt lige. Jo længere og stærkere polymeren er, jo mere holdbart er materialet.

Cornell -forskere tog en middelmådig monomer og, ved at bruge en speciel katalysator, de skabte en sejere polymer, der kan danne lange kæder. Polymeren kan derefter let depolymeriseres tilbage til monomertilstanden med en syrekatalysator, resulterer i en kemisk genanvendelig termoplast, der konkurrerer med de mest populære plastik, polyethylen og polypropylen.

Holdets papir, "Kemisk genanvendelig termoplast fra reversibel deaktiveringspolymerisering af cykliske acetaler, "udgivet 13. august i Videnskab .

Medlederforfatterne er tidligere postdoktorforsker Brooks Abel og Rachel Snyder, Ph.D. '21.

"Ideelt set den perfekte polymer er en, der har virkelig høje begyndelsesspændinger, og derefter gennemgår den en rigtig god forlængelse, " sagde Geoffrey Coates, professor ved Tisch University i College of Arts and Sciences, og avisens seniorforfatter. "De polymerer, du sikkert har hørt om, polyethylen og polypropylen, de har bare gode egenskaber. Mange nye polymerer kan ikke sammenlignes godt med disse afprøvede og sande. Vores polymer er lige i midten af ​​pakken. Det har eksisteret i 60 eller 70 år, men ingen har været i stand til at lave rigtig lange kæder af det og få rigtig gode egenskaber."

I et uventet twist, opdagelsen kom ikke fra konventionel plastikforskning, men snarere fra Coates-gruppens engagement med Joint Center for Energy Storage Research, et tværfagligt samarbejde lanceret af det amerikanske energiministerium for at realisere næste generations batterier. Coates og hans team havde arbejdet på at udvikle bæredygtige polymerer, der kan bruges i energilagring og omdannelsesmaterialer, da de realiserede deres polymer-poly(1, 3-dioxolan) eller PDXL - var velegnet til at skabe en termoplast - et materiale med egenskaber, der gør det muligt at smelte det, genbrugt og omstøbt.

Forskerne byggede deres polymer af en cyklisk acetalmonomer kaldet dioxolan, som er syntetiseret ud fra potentielt biofornyelige formaldehyd- og ethylenglycolråvarer. Polyacetaler er stærke kandidater til at skabe genanvendelig termoplast, fordi de er stabile op til 300 grader Celsius, men depolymeriser ved relativt lave temperaturer - sædvanligvis under 150 grader Celsius - i nærværelse af en sur katalysator. De er også billige og kan købes biologisk. Imidlertid, polyacetaler har ikke tidligere været anvendt, fordi polymerkæderne generelt er for korte til at opnå den mekaniske styrke, der er nødvendig til kommercielle anvendelser.

"Vi ønskede at udvikle en ny måde at fremstille polyacetaler på, som ville give os kontrol over længden af ​​polymerkæderne, sagde Abel. Til sidst, vi var i stand til at lave polyacetaler med rigtig høj molekylvægt, der var overraskende duktile og stærke sammenlignet med deres mere skøre, modparter med lav molekylvægt."

"Hvis du vil lave en kop, der ikke revner, når du bøjer den, du skal have rigtig høj molekylvægt, " sagde Coates.

Ved at bruge en proces kaldet reversibel-deaktivering kationisk ringåbningspolymerisation, forskerne var i stand til at forbinde monomererne til lange kæder af PDXL, der har høj molekylvægt og høj trækstyrke.

Den resulterende termoplast er stærk og fleksibel nok til at blive brugt til store applikationer såsom emballageprodukter. Holdet demonstrerede dette potentiale ved at skabe flere prototypegenstande, inklusive beskyttelsesposer, støbt emballage og oppustelige luftpuder af den slags Amazon bruger til at putte deres kasser.

"Lige nu, næsten 40 % af plasten produceres til emballering af produkter, der bruges kortvarigt og derefter bortskaffes, " sagde Snyder. "PDXL har den nødvendige styrke til emballering, men i stedet for at smide det væk, vi kan indsamle og genbruge det ved hjælp af en meget effektiv kemisk genbrugsproces. Dette gør det til en perfekt kandidat til en cirkulær polymerøkonomi."

Genbrugsprocessen er så effektiv, at PDXL endda kan depolymeriseres fra komplekse blandinger af plastaffald. Holdet blandede PDXL med andre råvarer såsom polyethylenterephthalat, polyethylen og polystyren. Efter påføring af en genanvendelig syrekatalysator og varme, de var i stand til at genvinde 96% af den rene dioxolanmonomer, demonstrerer, at det let kan isoleres fra almindelige forurenende stoffer som farvestoffer og blødgørere. Den genvundne monomer blev derefter repolymeriseret til PDXL, illustrerer cirkulæriteten af ​​polyacetal kemisk genbrug.

Dette peger på polymerens vigtigste egenskab:dens bæredygtighed.

"Det kræver en masse fossile brændstoffer at lave disse plastik, og carbon footprint af almindelig polyethylen eller polypropylen er virkelig dårlig. Så vi skal være bedre til, hvordan vi laver dem, "Coates sagde." Hvis du kan have en måde, hvorpå du kemisk kan genbruge polymeren, det kommer ikke til at gå i havet, ret? Og så i stedet for at bruge al denne energi til at tage olie ud af jorden og bryde den op i små stykker og bruge al denne energi, alt hvad vi skal gøre er bare at varme polymeren og bommen op, vi har en monomer igen."