Thermoharders, waaronder epoxy's, polyurethaan, en rubber gebruikt voor banden, komen voor in veel producten die duurzaam en hittebestendig moeten zijn, zoals auto's of elektrische apparaten. Een nadeel van deze materialen is dat ze na gebruik doorgaans niet gemakkelijk kunnen worden gerecycled of afgebroken. omdat de chemische bindingen die ze bij elkaar houden sterker zijn dan die in andere materialen zoals thermoplasten.

Chemici van het MIT hebben nu een manier ontwikkeld om thermohardende kunststoffen te modificeren met een chemische linker waardoor de materialen veel gemakkelijker af te breken zijn. maar laat ze toch de mechanische sterkte behouden die ze zo nuttig maakt.

In een studie die vandaag verschijnt in Natuur , de onderzoekers toonden aan dat ze een afbreekbare versie van een thermohardende plastic genaamd pDCPD konden produceren, breek het in een poeder, en gebruik het poeder om meer pDCPD te maken. Ze stelden ook een theoretisch model voor dat suggereert dat hun aanpak toepasbaar zou kunnen zijn op een breed scala aan kunststoffen en andere polymeren, zoals rubber.

"Dit werk onthult een fundamenteel ontwerpprincipe dat volgens ons algemeen is voor elke soort thermoharder met deze basisarchitectuur, " zegt Jeremia Johnson, een professor in de chemie aan het MIT en de senior auteur van de studie.

Peyton Shieh, een postdoctoraal onderzoeker van de American Cancer Society aan het MIT, is de eerste auteur van het artikel.

Moeilijk te recyclen

Thermoharders zijn een van de twee belangrijkste klassen van kunststoffen, samen met thermoplasten. Thermoplasten omvatten polyethyleen en polypropyleen, die worden gebruikt voor plastic zakken en andere kunststoffen voor eenmalig gebruik, zoals voedselverpakkingen. Deze materialen worden gemaakt door kleine plastic korrels op te warmen tot ze smelten, giet ze vervolgens in de gewenste vorm en laat ze weer afkoelen tot een vaste stof.

Thermoplasten, die goed zijn voor ongeveer 75 procent van de wereldwijde plasticproductie, kunnen worden gerecycled door ze opnieuw te verhitten tot ze vloeibaar worden, zodat ze kunnen worden omgevormd tot een nieuwe vorm.

Thermohardende kunststoffen worden gemaakt door een soortgelijk proces, maar als ze eenmaal zijn afgekoeld van een vloeistof tot een vaste stof, het is erg moeilijk om ze weer vloeibaar te maken. Dat komt omdat de bindingen die zich vormen tussen de polymeermoleculen sterke chemische bindingen zijn die covalente bindingen worden genoemd. die zeer moeilijk te doorbreken zijn. Bij verhitting, thermohardende kunststoffen zullen doorgaans verbranden voordat ze opnieuw kunnen worden gevormd, zegt Johnson.

"Als ze eenmaal in een bepaalde vorm zijn geplaatst, ze zijn hun leven lang in die vorm, " zegt hij. "Er is vaak geen gemakkelijke manier om ze te recyclen."

Het MIT-team wilde een manier ontwikkelen om de positieve eigenschappen van thermohardende kunststoffen - hun sterkte en duurzaamheid - te behouden en ze na gebruik gemakkelijker af te breken.

In een vorig jaar verschenen paper met Shieh als hoofdauteur, Johnson's groep rapporteerde een manier om afbreekbare polymeren te maken voor medicijnafgifte, door een bouwsteen op te nemen, of monomeer, met een silylethergroep. Dit monomeer is willekeurig verdeeld over het materiaal, en wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan zuren, bases, of ionen zoals fluoride, de silyletherbindingen breken.

Hetzelfde type chemische reactie dat wordt gebruikt om die polymeren te synthetiseren, wordt ook gebruikt om sommige thermohardende kunststoffen te maken, waaronder polydicyclopentadieen (pDCPD), die wordt gebruikt voor carrosseriepanelen in vrachtwagens en bussen.

Met dezelfde strategie uit hun paper uit 2019, de onderzoekers voegden silylethermonomeren toe aan de vloeibare voorlopers die pDCPD vormen. Ze ontdekten dat als het silylethermonomeer tussen 7,5 en 10 procent van het totale materiaal uitmaakte, pDCPD zou zijn mechanische sterkte behouden, maar zou bij blootstelling aan fluoride-ionen kunnen worden afgebroken tot een oplosbaar poeder.

"Dat was het eerste spannende ding dat we vonden, Johnson zegt. "We kunnen pDCPD afbreekbaar maken zonder de nuttige mechanische eigenschappen ervan aan te tasten."

Nieuwe materialen

In de tweede fase van het onderzoek, de onderzoekers probeerden het resulterende poeder opnieuw te gebruiken om een ​​nieuw pDCPD-materiaal te vormen. Nadat het poeder is opgelost in de voorloperoplossing die is gebruikt om pDCPD te maken, van het gerecyclede poeder konden ze nieuwe pDCPD-thermostaten maken.

"Dat nieuwe materiaal heeft bijna niet te onderscheiden, en in sommige opzichten verbeterd, mechanische eigenschappen in vergelijking met het originele materiaal, Johnson zegt. "Het is opwindend om te laten zien dat je de afbraakproducten kunt nemen en dezelfde thermoharder opnieuw kunt maken met hetzelfde proces."

De onderzoekers zijn van mening dat deze algemene benadering ook kan worden toegepast op andere soorten thermohardende chemie. In dit onderzoek, ze toonden aan dat het gebruik van afbreekbare monomeren om de afzonderlijke strengen van de polymeren te vormen veel effectiever is dan het gebruik van afbreekbare bindingen om de strengen aan elkaar te "verknopen", wat al eerder is geprobeerd. Ze zijn van mening dat deze aanpak van splitsbare strengen kan worden gebruikt om vele andere soorten afbreekbare materialen te genereren.

Als de juiste soorten afbreekbare monomeren kunnen worden gevonden voor andere soorten polymerisatiereacties, deze benadering kan worden gebruikt om afbreekbare versies te maken van andere thermohardende materialen zoals acryl, epoxy's, siliconen, of gevulkaniseerd rubber, zegt Johnson.

De onderzoekers hopen nu een bedrijf op te richten om de technologie in licentie te geven en te commercialiseren. MIT heeft Millipore Sigma ook een niet-exclusieve licentie verleend voor de productie en verkoop van de silylethermonomeren voor onderzoeksdoeleinden.

Patrick Casey, een nieuwe productconsulent bij SP Insight en een mentor bij MIT's Deshpande Center for Technological Innovation, heeft samengewerkt met Johnson en Shieh om de technologie te evalueren, inclusief het uitvoeren van een aantal voorlopige economische modellen en secundair marktonderzoek.

"We hebben deze technologie besproken met een aantal toonaangevende spelers in de sector, die ons vertellen dat het goed belooft te zijn voor belanghebbenden in de hele waardeketen, ", zegt Casey. "Onderdelenfabrikanten krijgen een stroom van goedkope gerecyclede materialen; fabrikanten van apparatuur, zoals autobedrijven, kunnen voldoen aan hun duurzaamheidsdoelstellingen; en recyclers krijgen een nieuwe inkomstenstroom uit thermohardende kunststoffen. De consumenten zien een kostenbesparing, en we krijgen allemaal een schoner milieu."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.