Nyt kemisk genbrugssystem for vinylpolymerer af cykliske styrenderivater

Kemisk genbrug af udbredte vinylpolymerer (VP'er) er en af ​​de nøgleteknologier, der kræves for at realisere et bæredygtigt samfund. I denne henseende har et team af forskere fra Shinshu University for nylig rapporteret om en ny kemisk proces, der letter depolymeriseringen af ​​cykliske styrenbaserede VP'er, hvilket resulterer i genvinding af en monomer-precursor.

Dette højeffektive kemiske genbrugssystem kan hjælpe med effektiv ressourcecirkulation og udvikling af nye plastgenvindingsteknologier.

Vinylpolymerer (VP'er) er et af de mest udbredte plastmaterialer. De findes overalt, fra poly(vinylchlorid) rør og kirurgiske handsker til engangs polystyren plader. Givet den globale opfordring til et skridt hen imod bæredygtighed, ville det så ikke være fantastisk at kemisk genbruge denne udbredte polymer for at realisere et bæredygtigt samfund?

For nylig gennemførte et team af forskere ledet af lektor Yasuhiro Kohsaka fra Fakultet for Tekstilvidenskab og Teknologi (FTST) og Research Initiative for Supra-Materials (RISM), begge ved Shinshu University, en undersøgelse for at finde en vej ud for at opnå dette .

I deres nylige gennembrud offentliggjort online i ACS Macro Letters og medforfatter af Yota Chiba fra FTST ved Shinshu University, præsenterede holdet en ny strategi for effektiv depolymerisering af VP'erne af cykliske styrenderivater for at hente en monomer-precursor.

Traditionelt har kemisk genanvendelse af VP'er altid været udfordrende. Den konventionelle tilgang til genanvendelse af enhver polymer er at vende polymeriseringsprocessen, som indebærer, at et enkelt stort molekyle, der består af gentagne monomere enheder, nedbrydes til dets modermonomerkomponenter.

Depolymerisering af VP'er er vanskelig, fordi de kovalente carbon-carbon-bindinger, der holder monomerenhederne sammen, er meget stabile og derfor svære at bryde. Undersøgelser har foreslået måder at bryde kulstof-kulstof-rygraden i VP'er, men de fleste af dem formår ikke at sikre kvantitativ og selektiv spaltning (bindingsbrud) af dens hovedkæde, hvilket er afgørende for effektiv genvinding af monomerer.

"Polymerer, der er stabile, har dårlig genanvendelighed, og dem, der er let genanvendelige, er ustabile i naturen," siger Dr. Kohsaka. "Vi overvandt denne afvejning ved at give afkald på konventionelle strategier, der forsøger at vende polymerisationsreaktionen for at genvinde monomerer og udvikle en to-trins genbrugsproces. I det første trin blev nedbrydning af polymeren til en monomer precursor, som blev efterfulgt af genvinding af monomeren ved kemisk modifikation."

Holdet valgte VP'er lavet af cykliske α-substituerede styrenderivater, såsom 3-methylenphthalid, som deres molekyle til at teste kemisk genanvendelighed og undersøge ringåbningsreaktionen af ​​de vedhængende grupper i nærvær af en base som natriumhydroxid. De fandt ud af, at åbningen af ​​ringene på grund af forsæbning øgede den steriske hindring omkring vedhængsgrupperne, hvilket førte til hovedkædespaltning og depolymerisering af VP'et til monomerprækursorer.

Disse genvundne forstadier blev derefter omdannet til monomerer via enkelttrins chlorering og spontan intramolekylær esterificering. Forskerne opdagede endvidere, at den samme cykliske monomerstruktur, der lettede depolymerisering, også var ansvarlig for at fremme polymerisering på grund af reduceret sterisk hindring omkring vinylidengruppen. Disse resultater fik forskerne til at konkludere, at cykliske α-substituerede styrenderivater potentielt kan genbruge kemikalier.

På et bredere niveau har denne undersøgelse åbnet nye veje for ressourcecirkulation, en af ​​grundpillerne i et bæredygtigt samfund, ved at tilbyde en let metode til polymerisering og depolymerisering af allestedsnærværende VP'er. Forskerne mener, at deres resultater kan give nyttigt foder til yderligere forskning i ikke blot depolymerisering af plastmaterialer, men også udvikling af ny genanvendelig plast.

"Målet med vores forskning var at hjælpe missionen med at udvikle effektiv plastgenbrugsteknologi, som er et værktøj, som menneskeheden har desperat brug for på baggrund af miljøforurening forårsaget af plastik. Selvom vi ikke kan fjerne al den plastik, der allerede findes på denne planet, vi kan i det mindste udnytte de plastressourcer, vi har til rådighed, bedst muligt med vores nye kemikaliegenbrugsstrategi," afslutter Dr. Kohsaka.

Flere oplysninger: Yota Chiba et al., Kemisk genanvendelige vinylpolymerer ved fri radikal polymerisering af cykliske styrenderivater, ACS-makrobogstaver (2023). DOI:10.1021/acsmacrolett.3c00573

Journaloplysninger: ACS-makrobogstaver

Leveret af Shinshu University