Designermaterialer til at holde plastik ude af lossepladser

Forskere har designet et nyt materialesystem for at overvinde en af ​​de største udfordringer ved genbrug af forbrugerprodukter:genanvendelse af blandet plast. Deres præstation vil bidrage til at muliggøre et meget bredere udvalg af fuldt genanvendelige plastikprodukter og bringe en effektiv cirkulær økonomi for varige varer som biler inden for rækkevidde.

Vi producerer svimlende mængder af plastik og plastholdige produkter hvert år, men kun en lille del af det plastik kan genvindes og bruges til at fremstille produkter af lignende kvalitet. Det skyldes, at de fleste produkter, fra fødevareemballagefilm og engangsposer til sneakers og elektronik, er lavet af blandinger af forskellig plast, og når først de er blandet, kan plastikken ikke genvindes og bruges til at lave nye tasker eller sneakers. I stedet ender det meste på lossepladser, forbrændingsanlæg eller have.

Et team af forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tackler udfordringen med blandet plast ved hjælp af et specialdesignet materiale kaldet polydiketoenamine (PDK), en ny type plast, som de har udviklet til at blive genanvendt effektivt og uendeligt, hvilket giver en lav- kulstoffremstillingsløsning til plastprodukter, der aldrig skal ende på en losseplads.

I en ny undersøgelse, der vises i Science Advances , viste holdet, at de kan skabe skræddersyede PDK'er, der er specielt skræddersyet til genanvendelse af blandet plastik, og at de fuldt ud kan genvinde plastikken fra et blandet produkt sammensat af flere PDK'er og andre almindelige fremstillingsmaterialer. Brett Helms, fra Berkeley Labs Molecular Foundry, stod i spidsen for det tværfaglige team, som blandt andre også omfattede forskere fra Joint BioEnergy Institute (JBEI) og Berkeley Labs Advanced Light Source. Værket er en stor validering af et lovende materiale og uddyber vores viden om polymerkemi.

"Vi ved nu, hvordan man skræddersyer PDK-plast for at genbruge komplekse produkter, der består af flere typer materialer," sagde Helms. "Et eksempel kan være en sko, hvor et tekstil er bundet til en gummi med et klæbemiddel. Konventionelle materialer, der bruges i sådanne produkter, kan ikke genbruges, da de ikke kan dekonstrueres uafhængigt. Men hvis de var lavet af forskellige, specialdesignede PDK-polymerer, så kunne de være det for første gang."

Oprettelse af et designermateriale

PDK'er og anden plast er kendt som polymerer, materialer, hvori de indgående molekyler er lange kæder af små gentagelsesenheder kendt som monomerer. Til dette arbejde startede forskerne med at lave en række PDK'er med lidt forskellige kemiske strukturer og viste, at hver enkelt kunne "depolymeriseres" eller nedbrydes til deres respektive monomerer med høje genvindingsudbytter. Dette er i bund og grund processen med plastgenanvendelse, da de genvundne monomerer derefter kan bruges til at skabe en ny batch af PDK.

Holdet fandt ud af, at hver PDK depolymeriserede ved en anden temperatur og hastighed. For bedre at forstå disse egenskaber brugte de teoretiske beregninger og beregningsmodeller (densitetsfunktionsteori) til at simulere de forskellige polymerer og udforske, hvordan de dannes og depolymeriseres. Ved hjælp af disse teoretiske indsigter identificerede teamet de bedste PDK-molekyler til jobbet og optimerede deres design yderligere.

"Et særligt godt aspekt af dette arbejde var den tætte integration mellem eksperimenterne og beregningerne," sagde Molecular Foundry Director Kristin Persson, der ledede det teoretiske arbejde. "Ved at afsløre mekanismen, der understøtter cirkularitet, var vi i stand til at designe nye polymerer, der bevarer genanvendelighed. Vi er glade for, at disse designindsigter vil informere fremtidigt arbejde."

"Det er gennem disse interaktioner mellem teori og eksperiment, at vi bygger viden og rammer for at etablere designreglerne for polymerreaktivitet," sagde Helms. "Vi ville kun have observationer ellers, snarere end en forklaring."

Blandet plastik? Intet problem

Ved at bruge disse optimerede molekyler demonstrerede forskerne succesen med deres materialesystem ved at skabe blandet plast, hver lavet af to forskellige PDK'er, og derefter fuldstændigt depolymerisere og genvinde de indgående materialer. De gentog demonstrationen med PDK'er i forskellige farver, adresserede en særlig industriudfordring og viste, at de med en lidt mere kompleks proces igen kunne genvinde PDK-monomererne med høje udbytter.

Holdet viste også, hvordan PDK kan bruges til at fremstille genanvendelig, fleksibel plastikemballage af konventionel plast. De dannede en flerlagsfilm af almindelig plast - polypropylen (PP) og polyethylenterephthalat (PET) - ved at bruge et "bindelag" af PDK til at binde dem sammen. Normalt kunne PP og PET ikke udvindes fra et flerlagsmateriale, men her udnyttede forskerne deres kontrol over PDK-laget til også at adskille og genvinde PP- og PET-filmene.

I en sidste demonstration af deres kraftfulde tilgang konstruerede forskerne et objekt ud fra en blanding af forskellige PDK'er sammen med glas og rustfrit stål for at simulere udfordringerne ved bilgenbrug, og de gennemgik genbrugsprocessen igen, hvilket demonstrerede genvinding af højtydende PDK monomerer samt glas og metal. Disse resultater kan føre til et meningsfuldt skift i, hvordan vi griber fremstillingen af ​​varige goder an, hvilket muliggør en cirkulær økonomi, hvor produkter er designet til at blive fuldt genvundet og genbrugt.

"Komplekse forbrugerprodukter genanvendes simpelthen ikke i dag; de bliver enten forbrændt, deponeret eller downcyclet," sagde Helms. "Her har vi lagt grunden til, hvordan man genanvender sådanne produkter tilbage til deres oprindelige monomer-byggesten, i stride skridt for at lette genvindingen af ​​materialer bundet til dem til genbrug, herunder værdifulde metaller eller glas. På denne måde bringer PDK-materialer mere cirkulæritet. til fremstilling med iboende lav kulstofintensitet." + Udforsk yderligere

Nedbrydning af plastik i dets bestanddele