Hoewel veel steden en acht staten plastic voor eenmalig gebruik hebben verboden, zakken en andere polyethyleenverpakkingen verstoppen nog steeds stortplaatsen en vervuilen rivieren en oceanen.

Een groot probleem bij het recyclen van polyethyleen, die goed is voor een derde van alle plasticproductie wereldwijd, is economisch:gerecyclede tassen komen terecht in producten met een lage waarde, zoals dekken en constructiemateriaal, weinig prikkels om het afval te hergebruiken.

Een nieuw chemisch proces ontwikkeld aan de Universiteit van Californië, Berkeley, zet polyethyleen plastic om in een sterke en waardevollere lijm en kan die calculus veranderen.

"De visie is dat je een plastic zak zou nemen die geen waarde heeft, en in plaats van het weg te gooien, waar het op een vuilstort terechtkomt, je zou er iets van hoge waarde van maken, " zei John Hartwig, de Henry Rapoport Chair in Organic Chemistry aan UC Berkeley en leider van het onderzoeksteam. "Je kunt niet al dit gerecyclede plastic - er worden elk jaar honderden miljarden ponden polyethyleen geproduceerd - er een materiaal van maken met hechtende eigenschappen, maar als je een fractie daarvan neemt en er iets van hoge waarde van maakt, dat kan de economie veranderen om de rest ervan te veranderen in iets dat van lagere waarde is."

Voor de meeste kunststoffen recycling betekent het in stukjes hakken en omvormen tot generieke producten, in het proces waarbij veel van de eigenschappen die nauwgezet in het originele plastic zijn verwerkt, worden weggegooid, zoals buigzaamheid en verwerkingsgemak. En hoewel nieuwe recyclingmethoden kunststoffen kunnen afbreken in hun chemische bestanddelen voor gebruik als brandstof of smeermiddel, deze producten, te, zijn van lage waarde en kunnen voor het milieu twijfelachtig zijn - nog een fossiele brandstof om te verbranden - of hebben een korte levensduur.

Om recycling aantrekkelijker te maken, onderzoekers en de kunststofindustrie hebben gezocht naar manieren om te 'upcyclen', dat wil zeggen:zet gerecycled plastic om in iets waardevollers en heeft een langere levensduur.

Het chemische proces dat Hartwig en zijn collega's ontwikkelden, behoudt veel van de oorspronkelijke eigenschappen van polyethyleen, maar voegt een chemische groep toe aan het polymeer waardoor het aan metaal blijft kleven:iets wat polyethyleen normaal gesproken slecht doet. Zijn team toonde aan dat het gemodificeerde polyethyleen zelfs kan worden geverfd met latex op waterbasis. Latex pelt gemakkelijk af van standaard polyethyleen met lage dichtheid, LDPE genoemd.

Het artikel dat dit proces beschrijft, wordt op 17 december online gepubliceerd in het tijdschrift Chemo en verschijnt in de gedrukte editie van januari.

"We zijn in staat om de hechting te verbeteren, met behoud van alle andere eigenschappen van polyethyleen die de industrie zo nuttig vindt, " zei co-auteur Phillip Messersmith, the Class of 1941 Professor in de afdelingen bio-engineering en materiaalkunde en engineering van UC Berkeley. "De verwerkbaarheid, thermische stabiliteit en mechanische eigenschappen lijken ongeschonden te zijn terwijl de hechting wordt verbeterd. Dat is lastig om te doen. Dat is echt waar we een aantal spannende dingen te laten zien."

Hoewel het proces nog niet economisch is voor industrieel gebruik, Hartwig is van mening dat het kan worden verbeterd en zou het startpunt kunnen zijn voor het toevoegen van andere eigenschappen dan plakkerigheid. Het succes wijst er ook op dat andere katalysatoren zouden kunnen werken met andere soorten kunststoffen, zoals het polypropyleen in gerecyclede plastic flessen, om hoogwaardigere producten te produceren die economisch aantrekkelijk zijn.

Koolwaterstofketens tweaken

Hartwig is gespecialiseerd in het ontwerpen van nieuwe katalytische processen, in dit geval het toevoegen van kleine chemische eenheden aan grote koolwaterstofketens, of polymeren, op zeer specifieke plaatsen - om "gefunctionaliseerde polymeren" te creëren met nieuwe en nuttige eigenschappen. Zulke reacties zijn moeilijk, omdat een belangrijk verkoopargument van kunststoffen is dat ze bestand zijn tegen chemische reacties.

Voor dit project, hij wilde zien of hij een hydroxylgroep kon toevoegen - zuurstof gebonden aan waterstof, of OH - bij een kleine fractie van de koolstof-waterstofbindingen langs de polyethyleenketen.

"Polyethyleen heeft meestal tussen de 2, 000 en 10, 000 koolstoffen in een keten, met twee waterstofatomen op elke koolstof - echt, het is een oceaan van CH2-groepen, genaamd methyleenen, " zei hij. "We doken in de literatuur om te zoeken naar de meest actieve katalysator die we konden vinden voor functionalisering van een methyleenpositie."

De katalysator zou bij hoge temperaturen moeten werken, omdat het vaste gerecyclede plastic moet worden gesmolten. Ook, het zou moeten werken in een oplosmiddel dat niet-polair is, en dus in staat om te mengen met polyethyleen, wat niet-polair is. Dit is een van de redenen waarom het niet aan metalen kleeft, die polair zijn, of opgeladen.

Hartwig en postdoctoraal medewerker Liye Chen kozen voor een op ruthenium gebaseerde katalysator (polygefluoreerd rutheniumporfyrine) die aan deze vereisten voldeed en ook OH-groepen aan de polymeerketen kon toevoegen zonder dat het zeer reactieve hydroxyl de polymeerketen uit elkaar zou breken.

De reactie, verrassend genoeg, produceerde een polyethyleen verbinding die stevig hecht aan aluminium metaal, vermoedelijk door middel van de OH-moleculen die langs de koolwaterstofketen van polyethyleen zijn bevestigd. Om de hechting beter te begrijpen, Chen werkte samen met Katerina Malollari, een afgestudeerde student in Messersmith's lab, die zich richt op biologische weefsels met adhesieve eigenschappen, in het bijzonder een lijm geproduceerd door mosselen.

Chen en Malollari ontdekten dat het toevoegen van een relatief klein percentage alcohol aan het polymeer de hechting 20 keer verhoogde.

"De katalyse bracht chemische veranderingen teweeg in minder dan 10% van het polymeer, maar verbeterde drastisch zijn vermogen om zich aan andere oppervlakken te hechten, ' zei Messersmith.

Polyethyleen laten hechten aan dingen - inclusief latexverf - biedt veel mogelijkheden, hij voegde toe. Kunstmatige heupkom en knie-implantaten integreren vaak polyethyleen met metalen onderdelen en zouden beter aan metaal kunnen hechten. Gefunctionaliseerd polyethyleen zou kunnen worden gebruikt om elektrische draad te coaten, de lijm leveren die andere polymeren aan elkaar plakt - in melkpakken, bijvoorbeeld - of duurzamere composieten van plastic en metaal maken, zoals in speelgoed.

"Het nut hier is om deze functionele groepen te kunnen introduceren, die helpen bij het oplossen van veel langdurige problemen bij de hechting van polyethyleen:hechting van polyethyleen aan ander polyethyleen of aan andere polymeren, evenals voor metaal, ' zei Messersmith.

Hartwig ziet meer mogelijkheden voor functionalisering van complexe polymeren, waaronder de meest voorkomende kunststof, polypropyleen.

"We zijn een van de weinige groepen waar dan ook die in staat zijn geweest om selectief een functionele groep te introduceren in koolwaterstofpolymeren met lange keten, " zei hij. "Andere mensen kunnen de kettingen breken, en anderen kunnen de kettingen cycliseren, maar het daadwerkelijk introduceren van een polaire functionele groep in de ketens is iets dat niemand anders heeft kunnen doen."