Polymer videnskabsteamet udvikler additiv, der kan upcycle en bred vifte af plastik

Man behøver ikke at blive mindet om, at plastikproduktion og plastikforurening er steget støt gennem årene - beviserne er overalt omkring os. Hvad hvis vi var i stand til at genbruge plastik på en måde, der virkelig er bæredygtig?

Netop det spørgsmål rejser Reika Katsumata, adjunkt, og ph.d. studerende Autumn Mineo fra Polymer Science and Engineering (PSE)-afdelingen i College of Natural Sciences, som eksperimenterer med polymergenanvendelse for at identificere ny, miljøbevidst kemi og teknologier til polymeroparbejdning.

Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Realiteterne ved genbrug

Vi ville alle elske at tro, at trods vores bedste bestræbelser på at undgå ikke-genanvendelige genstande, kan den lejlighedsvise styroporkop, vi smider i skraldespanden, i sidste ende rekonstitueres til en helt ny kop med ringe eller ingen miljøpåvirkning, men genanvendelsesprocessen er mere kompliceret end som så.

Mekanisk genbrug er afhængig af barske temperaturer og behandlingsforhold for at genopfinde udvalgte strømme af post-forbrugeraffald som nye produkter. Gentagen eksponering for disse forhold resulterer i, at materialet nedbrydes over tid og en tilsvarende forværring af materialeegenskaber - et resultat, der ofte omtales som "downcycling."

Alternativt kan visse polymerer nedbrydes kemisk og omdannes, hvilket fører til forbedret cykluslevetid og materialets robusthed. Men kemisk genanvendelse er ikke mulig for mange af de råvarepolymerer, der bruges i dag.

Upcycling gennem kemi

Katsumata og hendes team søgte at skabe en mere bæredygtig proces til genanvendelse og oparbejdning af polymerer gennem det, der er kendt som addition-fragmentation-transfer (AFT) kemi, et felt, der er fokuseret på radikal-baserede bindingsudvekslingsreaktioner. "Hverdagsplastik er store molekyler kaldet polymerer, bestående af gentagne enheder eller 'monomerer'," forklarede Katsumata. "Mange polymerer er ikke i stand til at blive kemisk nedbrudt og omdannet, fordi carbon-carbon-enkeltbindingerne, der holder monomerer sammen, er relativt stabile."

For at løse dette stabilitetsproblem udviklede PSE-forskere et additiv, der copolymeriserer med konventionelle monomerer og genererer hovedkædeenheder, der har evnen til at udveksle gennem AFT-kemi.

"Denne dynamiske kobling kan fremme både polymerspaltning (eller adskillelse) og polymerudvidelse for at fuldende genbrug i lukket kredsløb," sagde Katsumata. "Ydermere letter den dynamiske karakter af vores additiv andre kemiske modifikationer med potentiale til at 'upcycle' eller øge produktværdien ved at tage råvareplastaffald og danne nye typer specialiserede polymerer, såsom blokcopolymerklæbemidler."

Dette arbejde identificerede en ny monomer, der er kompatibel med eksisterende metoder til syntetisering af polymerer, som skaber en dynamisk binding mellem monomerenheder, der kan udnyttes til at nedbryde plasten efter brug. Disse mindre fragmenter af polymerer, kaldet oligomerer, forbliver reaktive og kan tjene som udgangspunkt, hvorfra nye polymerer kan vokse.

Holdet fandt ud af, at cyklussen med at nedbryde polymerer (kædespaltning) og genvækst dem (kædeforlængelse) kan gentages og modificeres for at ændre omfanget af spaltning og forlængelse.

Opbygning af bevidsthed

En vigtig drivkraft bag denne forskning var en iver efter at anspore innovation. "Vores forskning har fremmet den grundlæggende viden om AFT-kemi ved at afsløre latent reaktivitet efter polymerisation," udtalte Katsumata. "Derudover håber vi, at vores arbejde har inspireret polymerindustrien til at investere i copolymeriseringsstrategier og anden genbrugsteknologi, især når det gælder polyolefinprodukter."

Katsumata og PSE-teamet føler, at denne forskning kan fungere som grundlag for nye genbrugsmetoder og identifikation af miljøvenlig kemi og teknikker – hvilket giver et glimt af en fremtid, hvor plastik og andre udfordrende materialer håndteres mere bæredygtigt.

Flere oplysninger: Autumn M. Mineo et al., et alsidigt comonomer-additiv til radikalt genanvendelige vinyl-afledte polymerer, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316248

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af University of Massachusetts Amherst