De nieuwste ontwikkeling van een professor aan de Universiteit van Akron (UA) op het gebied van bioplastics heeft het potentieel om belangrijke stappen te zetten op het gebied van duurzaamheid voor toekomstige kunststoffen.

In het laboratorium van Dr. Shi-Qing Wang aan de School of Polymer Science and Polymer Engineering van de UA, het team richt zich op onderzoek dat effectieve strategieën laat zien om brosse polymeren om te zetten in taaie en flexibele materialen. Bijvoorbeeld, de groep heeft onlangs een prototype poly(melkzuur) (PLA) beker geproduceerd die transparant is, super taai en krimpt niet wanneer gevuld met kokend water.

"Plastic is een essentieel onderdeel van ons dagelijks leven geworden, hoewel de meeste niet kunnen worden gerecycled en zich daarom ophopen op stortplaatsen, " zegt Wang, die momenteel dienst doet als Kumho Polymer Science Professor. "Enkele veelbelovende biologisch afbreekbare/composteerbare alternatieven, zoals PLA, zijn doorgaans niet sterk genoeg om traditionele polymeren op basis van fossiele brandstoffen zoals polyethyleentereftalaat (PET) te vervangen, omdat deze duurzame materialen broos zijn."

Dr. Ramani Narayan, vooraanstaand professor aan de afdeling Chemical Engineering and Materials Science van de Michigan State University, en gerenommeerde wetenschapper op het gebied van bioplastics, zegt dat Wang's onderzoek de potentie heeft om een ​​doorbraak te zijn in de PLA-markt.

"PLA is 's werelds belangrijkste 100% biobased en volledig composteerbare polymeer, " zegt Narayan. "Maar het heeft een lage taaiheid en een lage warmtevervormingstemperatuur. Het wordt zachter en zakt structureel in rond 140 graden Fahrenheit, waardoor het onbruikbaar is in veel toepassingen voor het verpakken van warm voedsel en wegwerpcontainers. Dr. Wang's onderzoek zou disruptieve technologie kunnen zijn, omdat zijn prototype PLA-beker sterk is, transparant, en toch stijf om kokend water vast te houden."

Wang, die 20 jaar aan de UA heeft gedoceerd, heeft geprobeerd een kennisbasis op te zetten om de relatie tussen verwerking en structuur voor verschillende kunststoffen te begrijpen en om de nieuwste inzichten toe te passen om de beruchte broosheid van PLA aan te pakken.

Om de wetenschap uit te leggen achter hoe zijn prototype PLA-beker ductiliteit kan krijgen en hittebestendigheid kan bereiken, Wang gebruikt de analogie van gekookte spaghetti. Als het gesmolten PLA een miljoen keer wordt vergroot, elke kettingachtige molecule zou eruitzien als een spaghettisliert, vele meters lang. Om thermoplasten (inclusief PLA) taai te maken, het is belangrijk dat kristallisatie de verstrengeling van "spaghettistrengen" niet verwijdert of verstoort.

Wang noemt deze verweven structuur het 'ketennetwerk'. Door zo'n structuur kan iedereen bijna alle spaghettislierten uit een kom halen met een paar eetstokjes. Dit ketennetwerk, wanneer goed gemanipuleerd, zorgt ervoor dat de PLA drankbeker mechanisch sterk is zonder kristallisatie. Maar zo'n commerciële beker stort in als er kokend water in wordt gegoten. "Bekers gemaakt van normaal gekristalliseerd PLA kunnen kokend water bevatten, maar zijn vreselijk broos en ondoorzichtig, " zei Wang.

Door de oorsprong van ductiliteit in semikristallijne polymeren te onderzoeken, Wang's onderzoeksgroep ontdekte een manier om kristallen te beperken tot nanoscopische schalen in PLA met behoud van het netwerk, resulterend in het heldere, stevige en hittebestendige beker. Zo'n transparante beker kan hete thee en koffie bevatten en zou de meeste plastic drankbekers op de markt kunnen vervangen.

"De impact van ons nieuwe begrip zou de PLA-markt eindelijk kunnen stimuleren om exponentieel te groeien, " zegt Wang.