Onderzoekers van het FAMU-FSU College of Engineering hebben nieuwe ontdekkingen gedaan over de effecten van temperatuur op duurzame polymeren. Hun bevindingen kunnen de industrie helpen om kunststoffen te produceren die beter zijn voor het milieu.

"Plastics gemaakt van aardolie, een niet-hernieuwbare hulpbron, blijven te lang in ons land en water wanneer ze worden weggegooid, " zei Rufina Alamo, een professor in de afdeling Chemische en Biomedische Technologie. "We onderzoeken hoe duurzame polymeren worden verwarmd en gekoeld, zodat we meer 'milieuvriendelijke' kunststoffen kunnen produceren."

Alamo en voormalig promovendus Xiaoshi Zhang, nu een postdoctoraal onderzoeker aan Penn State, publiceerde het werk onlangs in een reeks artikelen die zich richten op de kristallisatie van "groene" polymeren. Het nieuwste artikel verschijnt als het omslagartikel in macromoleculen , een toonaangevend tijdschrift voor polymeerwetenschap.

"Er is een wereldwijde motivatie om te transformeren hoe het grootste volume plastic wordt gemaakt, "Alamo zei. "Polymeerchemici en natuurkundigen werken er hard aan om vervangende materialen te produceren om een ​​einde te maken aan problematisch plastic afval."

Het bepalen van de juiste temperatuur voor verwerking is de sleutel tot het produceren van betere materialen die wetenschappers zullen helpen goedkope polymeren gemaakt van aardolie te vervangen door economisch levensvatbare, duurzame polymeren.

"Hoe het polymeer wordt gesmolten en afgekoeld om de gewenste vorm te krijgen, is belangrijk, "Alamo zei. "We proberen de fijne kneepjes van kristallisatie te begrijpen om het transformatieproces verder te begrijpen."

Het team bestudeert een type polymeer genaamd "long-spaced polyacetals, " die worden gebruikt in kunststoffen. Gesynthetiseerd in een laboratorium aan de Universiteit van Konstanz in Duitsland, de polyacetalen met lange tussenruimten die Alamo's team gebruikte, zijn afkomstig van duurzame biomassa. Ze bevatten een polyethyleen ruggengraat verbonden met acetaalgroepen op precies gelijke afstanden. De structuur combineert de taaiheid van polyethyleen met de hydrolytische afbreekbaarheid van de acetaalgroep. Dit type polymeer is sterk maar breekt gemakkelijker af met water dan traditionele polymeren.

"Wat we ontdekten, is dat dit soort polymeren op een ongebruikelijke manier kristalliseren wanneer ze worden afgekoeld na het smelten, ' zei Alamo.

Tijdens het koelproces, moleculen die eruitzien als gekrulde spaghettislierten van gesmolten plastic, ontwarren zich om kristallen te vormen en zijn verantwoordelijk voor de taaiheid van het uiteindelijke materiaal. Alamo's groep toonde aan dat polymeerkristallisatie wordt gecontroleerd door moleculaire gebeurtenissen die plaatsvinden aan het kristalgroeifront.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze snel werden afgekoeld, deze polyacetalen worden taai en kristallijn, en de moleculen assembleren zichzelf in een soort kristal dat "Form I" wordt genoemd. Wanneer langzaam afgekoeld, het materiaal is ook zeer kristallijn, maar de gevormde kristallen zijn heel anders en worden "Form II" genoemd. Bij koeling bij tussenliggende temperaturen, het materiaal stolt helemaal niet. Dit fenomeen is nooit waargenomen in andere kristallijne polymeren, volgens de onderzoekers.

"Om kristallen te vormen, er moet eerst een energiebarrière worden overwonnen, " zei Alamo. "Bij lage temperaturen, kristallen worden gemakkelijk gevormd. Bij hoge temperaturen, kristallen zijn stabieler, en bij tussenliggende temperaturen, de kristallen strijden om te vormen, en het materiaal kan niet stollen."

"Dit is een belangrijke ontdekking omdat het een belangrijke sleutel is om te begrijpen hoe de kunststoffen die we gebruiken vaste stoffen worden, " zei ze. "We willen de industrie de best mogelijke transformatieprocessen bieden. We willen duurzame kunststoffen die niet kromtrekken of moeilijk stollen."

Het onderzoek kan nieuwe manieren opleveren om kunststoffen te vervaardigen die zuiniger en duurzamer te produceren zijn.