Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en hun partners van de Clemson University hebben een groene, energiezuinig proces om polystyreen af ​​te breken, een soort plastic dat veel wordt gebruikt in schuimverpakkingen, beschikbare voedselcontainers, bestek, en vele andere toepassingen.

Polystyreen maakt deel uit van een veel groter wereldwijd probleem met plastic afval. Jaarlijks worden honderden miljoenen tonnen polymeren geproduceerd, waarvan een grote meerderheid na gebruik wordt weggegooid. Vanwege de chemische stabiliteit en duurzaamheid van industriële polymeren, plastic afval wordt niet gemakkelijk afgebroken op stortplaatsen en wordt vaak verbrand, die kooldioxide en andere gevaarlijke gassen produceert. Om de groeiende stroom polymeerafval te stoppen en de uitstoot van kooldioxide te verminderen, kunststoffen moeten worden gerecycled of omgezet in nieuwe producten met toegevoegde waarde.

Momenteel, recycling van het overgrote deel van de kunststoffen is economisch niet haalbaar; hun sortering en scheiding zijn tijdrovend en arbeidsintensief, terwijl chemische verwerking en herfabricage een aanzienlijke energie-input en giftige oplosmiddelen vereisen. Herverwerkte polymeren vertonen vaak inferieure prestaties dan de vers vervaardigde "van scratch af aan"-materialen.

Een team van wetenschappers van Ames Laboratory gebruikte verwerking door kogelmalen om commercieel polystyreen in één stap te deconstrueren, op kamertemperatuur, in de omgevingsatmosfeer in afwezigheid van schadelijke oplosmiddelen. Kogelfrezen is een techniek waarbij materialen in een maalflesje met metalen kogellagers worden geplaatst die vervolgens worden geroerd totdat een gewenste chemische reactie optreedt. Mechanochemie genoemd, deze experimentele benadering heeft tal van toepassingen in de synthese van nieuwe materialen, en aantrekkelijke kenmerken als het om kunststofrecycling gaat.

De deconstructie van polystyreen verloopt via een reeks chemische gebeurtenissen waarbij de macromoleculen mechanisch uit elkaar worden gehaald, die vrije radicalen genereert die detecteerbaar zijn in het gemalen materiaal, zelfs na langdurige blootstelling aan lucht. De metalen lagers die worden gebruikt voor het malen en de zuurstof van de omgeving werken als co-katalysatoren die extractie van het monomere styreen uit de gevormde oligomere radicaal-dragende soorten mogelijk maken. De experimenten toonden aan dat de temperatuurstijging in het materiaal tijdens het malen niet verantwoordelijk is voor het waargenomen fenomeen, aangezien de temperatuur in het gemalen poeder niet hoger wordt dan 50oC terwijl de thermische ontleding van polystyreen in lucht begint bij ongeveer 325oC. De groep van Clemson bevestigde de uitgebreide deconstructie van het oorspronkelijke polymeer in kleinere fragmenten, oligomere materialen, geschikt voor verdere verwerking tot nieuwe producten met toegevoegde waarde.

"Deze methode vertegenwoordigt een belangrijke doorbraak die de ontmanteling van een polymeer mogelijk maakt tegelijk met de afbraak ervan onder omgevingsomstandigheden, dat is, ~300 C onder de thermische ontledingstemperatuur van het ongerepte materiaal", zegt Ames Laboratory Senior Scientist Viktor Balema. "We denken dat dit proof-of-concept een geweldige mogelijkheid is voor de ontwikkeling van nieuwe recyclingtechnologieën voor alle soorten kunststoffen, en dat zal bijdragen aan de totstandkoming van de circulaire economie."

Zijn partner van Clemson University, Kentwool Distinguished Professor Igor Loezinov, merkte verder op dat "deze ontdekking nieuwe wegen opent voor het terugwinnen van monomeren bij lage temperatuur uit op polymeer gebaseerde systemen met meerdere componenten, zoals composieten en laminaten. onze technologie zal het mogelijk maken om het monomeer te extraheren uit verknoopte materialen die styreeneenheden in hun structuren bevatten."

Alfred P. Sloan Foundation Research Fellow, Professor Aaron Rossini van de Iowa State University, merkte verder op dat "elektronenparamagnetische resonantiespectroscopie grote concentraties van vrije radicalen koolstof-gecentreerde soorten laat zien in polystyreen dat in lucht werd gemalen. Dit is een verrassend resultaat omdat vrije radicalen normaal gesproken zeer reactief zijn. de aanwezigheid van de radicalen geeft direct bewijs dat het malen direct splitsing van de polymeerketens veroorzaakt. We verwachten dat de reactieve plaatsen die geassocieerd zijn met de vrije radicalen kunnen worden gebruikt om de verwerkte polymeren te functionaliseren om nieuwe producten met toegevoegde waarde te verkrijgen."

Het onderzoek wordt verder besproken in het artikel "Depolymerization of polystyreen under ambient conditions, " geschreven door Viktor P. Balema, Ihor Z. Hlova, Scott L. Carnahan, Mastooreh Seyedi, Oleksandr Dolotko, Aaron J. Rossini, en Igor Loezinov; op de voorkant van de Nieuw tijdschrift voor chemie .