Om plastic te synthetiseren, kleine monomeermoleculen moeten aan elkaar worden geregen als kralen in een ketting, het creëren van lange polymeerketens.

Echter, niet alle kunststoffen - of hun polymeren - zijn gelijk gemaakt. Hoe langer en sterker het polymeer, hoe duurzamer het materiaal.

Cornell-onderzoekers namen een middelmatig monomeer en, door gebruik te maken van een speciale katalysator, ze creëerden een harder polymeer dat lange ketens kan vormen. Het polymeer kan vervolgens gemakkelijk worden gedepolymeriseerd tot de monomeerstaat met een zure katalysator, resulterend in een chemisch recyclebare thermoplast die concurreert met de meest populaire kunststoffen, polyethyleen en polypropyleen.

De krant van het team, "Chemisch recyclebare thermoplasten van omkeerbare deactiveringspolymerisatie van cyclische acetalen, " gepubliceerd 13 aug. in Wetenschap .

De co-hoofdauteurs zijn voormalig postdoctoraal onderzoeker Brooks Abel en Rachel Snyder, doctoraat '21.

"Ideaal, het perfecte polymeer is er een die echt hoge initiële spanningen heeft en dan een echt goede rek ondergaat, " zei Geoffrey Coates, de Tisch Universiteitshoogleraar aan de Hogeschool voor Kunsten en Wetenschappen, en senior auteur van het papier. "De polymeren waar je waarschijnlijk van hebt gehoord, polyethyleen en polypropyleen, ze hebben gewoon geweldige eigenschappen. Veel nieuwe polymeren zijn niet goed te vergelijken met deze beproefde. Ons polymeer zit precies in het midden van de verpakking. Het bestaat al 60 of 70 jaar, maar niemand is in staat geweest om er echt lange ketens van te maken en echt goede eigenschappen te krijgen."

In een onverwachte wending, de ontdekking kwam niet voort uit conventioneel plasticonderzoek, maar uit de betrokkenheid van de Coates Group bij het Joint Centre for Energy Storage Research, een interdisciplinaire samenwerking gelanceerd door het Amerikaanse ministerie van Energie om batterijen van de volgende generatie te realiseren. Coates en zijn team hadden gewerkt aan de ontwikkeling van duurzame polymeren die kunnen worden gebruikt in energieopslag- en conversiematerialen toen ze hun polymeer-poly(1, 3-dioxolaan) of PDXL - was zeer geschikt voor het maken van een thermoplast - een materiaal met eigenschappen waardoor het kan worden gesmolten, gerecycled en opnieuw gevormd.

De onderzoekers bouwden hun polymeer uit een cyclisch acetaalmonomeer genaamd dioxolaan, die wordt gesynthetiseerd uit potentieel biohernieuwbare formaldehyde- en ethyleenglycolgrondstoffen. Polyacetalen zijn sterke kandidaten voor het maken van recyclebare thermoplasten omdat ze stabiel zijn tot 300 graden Celsius, maar depolymeriseren bij relatief lage temperaturen - meestal onder de 150 graden Celsius - in aanwezigheid van een zure katalysator. Ze zijn ook goedkoop en kunnen biologisch worden geproduceerd. Echter, polyacetalen zijn niet eerder gebruikt omdat de polymeerketens in het algemeen te kort zijn om de mechanische sterkte te bereiken die nodig is voor commerciële toepassingen.

"We wilden een nieuwe manier ontwikkelen om polyacetalen te maken die ons controle zou geven over de lengte van de polymeerketens, ' zei Abel. 'Uiteindelijk, we waren in staat om polyacetalen met een echt hoog molecuulgewicht te maken die verrassend ductiel en sterk waren in vergelijking met hun brozer, tegenhangers met een laag molecuulgewicht."

"Als je een beker wilt maken die niet barst als je hem buigt, je moet een heel hoog molecuulgewicht krijgen, ' zei Coates.

Met behulp van een proces dat omkeerbare deactivering van kationische ringopeningspolymerisatie wordt genoemd, de onderzoekers waren in staat om de monomeren te verbinden tot lange ketens van PDXL met een hoog molecuulgewicht en een hoge treksterkte.

De resulterende thermoplast is sterk en flexibel genoeg om te worden gebruikt voor grootschalige toepassingen zoals het verpakken van producten. Het team demonstreerde dit potentieel door verschillende prototype-items te maken, inclusief beschermzakjes, gegoten verpakkingen en opblaasbare luchtkussens van het soort dat Amazon gebruikt om hun dozen op te vullen.

"Direct, bijna 40% van het plastic wordt geproduceerd voor het verpakken van producten die kort worden gebruikt en vervolgens worden weggegooid, " zei Snyder. "PDXL heeft de nodige sterkte voor verpakkingen, maar in plaats van het weg te gooien, we kunnen het inzamelen en hergebruiken met behulp van een zeer efficiënt chemisch recyclingproces. Dit maakt het een perfecte kandidaat voor een circulaire polymeereconomie."

Het recyclingproces is zo efficiënt dat PDXL zelfs kan worden gedepolymeriseerd uit complexe mengsels van plastic afval. Het team mengde PDXL met andere basiskunststoffen zoals polyethyleentereftalaat, polyethyleen en polystyreen. Na het aanbrengen van een herbruikbare zure katalysator en warmte, ze waren in staat om 96% van het zuivere dioxolaanmonomeer terug te winnen, wat aantoont dat het gemakkelijk kan worden geïsoleerd van veelvoorkomende verontreinigingen zoals kleurstoffen en weekmakers. Het teruggewonnen monomeer werd vervolgens opnieuw gepolymeriseerd tot PDXL, ter illustratie van de circulariteit van chemische recycling van polyacetaal.

Dit wijst op de belangrijkste eigenschap van het polymeer:​​de duurzaamheid ervan.

"Er zijn veel fossiele brandstoffen nodig om deze kunststoffen te maken, en de ecologische voetafdruk van gewoon polyethyleen of polypropyleen is echt slecht. Dus we moeten beter zijn in hoe we ze maken, Coates zei. "Als je een manier hebt om het polymeer chemisch te recyclen, het gaat niet de oceaan in, Rechtsaf? En dan in plaats van al deze energie te gebruiken om olie uit de grond te halen en het in kleine stukjes te breken en al deze energie te besteden, we hoeven alleen maar het polymeer op te warmen en boem, we hebben weer een monomeer."