VPR:En stærkere, strækbar, selvhelbredende plastik

Forskere ved University of Tokyo har udviklet en innovativ plastik, der er stærkere og mere strækbar end den nuværende standardtype. Plasten er også delvist biologisk nedbrydelig, husker sin form og kan heles med varme. Forskerne skabte det ved at tilføje molekylet polyrotaxan til en epoxyharpiksvitrimer, en type plastik.

Med navnet VPR kan materialet holde sin form og har stærke interne kemiske bindinger ved lave temperaturer. Men ved temperaturer over 150° Celsius forenes disse bindinger, og materialet kan omdannes til forskellige former.

Ved at anvende varme og et opløsningsmiddel nedbrydes VPR til dets råkomponenter. At nedsænke det i havvand i 30 dage resulterede også i 25% biologisk nedbrydning, hvor polyrotaxanen blev nedbrudt til en fødekilde for livet i havet. Dette nye materiale kan have vidtrækkende anvendelser for en mere cirkulær økonomi for at recirkulere ressourcer og reducere spild, fra teknik og fremstilling til medicin og bæredygtig mode.

Undersøgelsen, "Miljøvenlig bæredygtig termohærdende vitrimer-holdig polyrotaxane" er offentliggjort i tidsskriftet ACS Materials Letters .

På trods af globale kampagner for at bremse plastikbrug og -affald er det svært at undgå det allestedsnærværende materiale. Fra legetøj og tøj, boligudstyr og elektronik, til køretøjer og infrastruktur, kan det i dag virke som om, det er i næsten alt, hvad vi bruger. Selvom det er nyttigt, er der mange problemer forbundet med plastiks livscyklus og bortskaffelse.

Udvikling af alternativer, der holder længere, lettere kan genbruges og genanvendes, eller som er lavet af miljøvenlige kilder, er nøglen til at hjælpe med at løse disse problemer og realisere flere af FN's mål for bæredygtig udvikling.

Med dette i tankerne har forskere ved University of Tokyo skabt et mere bæredygtigt plastik, baseret på en epoxyharpiksvitrimer. Vitrimerer er en relativt ny klasse af plast, som er solide og stærke ved lavere temperaturer (som hærdeplast, der bruges til fremstilling af varmebestandigt service), men som også kan omformes flere gange ved højere temperaturer (som termoplast, der bruges til plastikflasker ). De er dog typisk sprøde og kan ikke strækkes langt, før de går i stykker.

Ved at tilføje et molekyle kaldet polyrotaxan var holdet i stand til at skabe en dramatisk forbedret version, som de kaldte VPR (vitrimer inkorporeret med polyrotaxan [PR]).

"VPR er over fem gange så modstandsdygtig over for brud som en typisk epoxyharpiksvitrimer," sagde projektassistent Shota Ando fra Graduate School of Frontier Sciences. "Den reparerer også sig selv 15 gange så hurtigt, kan genvinde sin oprindelige gemte form dobbelt så hurtigt og kan genbruges kemisk 10 gange så hurtigt som den typiske vitrimer. Den nedbrydes endda biologisk sikkert i et havmiljø, hvilket er nyt for dette materiale. "

Polyrotaxan har fået interesse i videnskab og industri for dets evne til at forbedre sejheden af ​​forskellige materialer. I denne undersøgelse betød den forbedrede sejhed af VPR, at mere komplekse former kunne skabes og bevares selv ved lave temperaturer (såsom origami-kranen i videoen, der følger med denne udgivelse).

Bortskaffelse eller genbrug var også nemmere end for vitrimerer uden polyrotaxan, forklarede Ando.

"Selvom denne harpiks er uopløselig i forskellige opløsningsmidler ved stuetemperatur, kan den let nedbrydes til råvareniveauet, når den nedsænkes i et specifikt opløsningsmiddel og opvarmes. Den viste også 25 % biologisk nedbrydning efter eksponering for havvand i 30 dage. Til sammenligning, Vitrimer uden PR undergik ingen tilsyneladende biologisk nedbrydning. Disse egenskaber gør det til et ideelt materiale i dagens samfund, som kræver ressourcegenanvendelse," sagde Ando.

Fra teknik til mode, robotteknologi til medicin, holdet forudser både praktiske og legende applikationer til VPR.

"Bare for at give nogle eksempler er infrastrukturmaterialer til veje og broer ofte sammensat af epoxyharpikser blandet med forbindelser som beton og kulstof. Ved at bruge VPR ville disse være nemmere at vedligeholde, da de ville være stærkere og helbredes ved hjælp af varme," foreslog. Ando.

"I modsætning til konventionelle epoxyharpikser er dette nye materiale hårdt, men strækbart, så det kan også forventes at binde materialer med forskellig hårdhed og forlængelse kraftigt, som det er nødvendigt til fremstilling af køretøjer. Også da det har formhukommelse, formredigering og form gendannelsesmuligheder, kan du måske også en dag omarrangere silhuetten af ​​dit yndlingstøj derhjemme med en hårtørrer eller dampstrygejern."

Holdets næste skridt vil være at arbejde sammen med virksomheder for at bestemme gennemførligheden af ​​deres forskellige ideer til VPR, samt fortsætte deres forskning i laboratoriet. "Jeg har altid troet, at eksisterende plast er meget vanskeligt at genvinde og bortskaffe, fordi de er opdelt efter deres anvendelse," sagde Ando. "Det ville være ideelt, hvis vi kunne løse mange af verdens problemer med et enkelt materiale som dette."

Flere oplysninger: Shota Ando et al., Environmentally Friendly Sustainable Thermoset, Vitrimer-Containing Polyrotaxane, ACS Materials Letters (2023). DOI:10.1021/acsmaterialslett.3c00895

Leveret af University of Tokyo