Hoewel kunststoffen of synthetische polymeren veel nuttige eigenschappen hebben, heeft hun wanbeheer geleid tot wijdverbreide vervuiling die onze ecosystemen verstikt. Als oplossing hiervoor worden veel synthetische polymeren opgestuurd voor opwerking en recycling; polyethyleentereftalaat (PET) is een van de meest voorkomende producten in de recyclingkringloop in veel landen. Recycling heeft echter zijn eigen problemen. Tijdens kunststofrecycling worden gedeeltelijke fracties van de polymeerketens afgebroken, wat resulteert in structureel zwakke, gedegradeerde polymeren. Deze ondermaatse gerecyclede kunststoffen hebben sterk verminderde eigenschappen en zijn alleen goed voor gebruik als vaste brandstoffen. Dit laat fabrikanten weinig andere keuze dan nieuwe plastic producten te maken met snel uitputtende aardoliegrondstoffen.

Als zodanig zijn onderzoekers over de hele wereld bezig met het ontwikkelen van duurzame verknoopte polymeermaterialen die efficiënt en kosteneffectief kunnen worden gerecycled. Dr. Mikihiro Hayashi, assistent-professor aan het Nagoya Institute of Technology, Japan, en zijn collega Mr. Takahiro Kimura hebben, naast de groeiende hoeveelheid kennis, een eenvoudige methode ontwikkeld om polyester, een veelvoorkomend plastic materiaal, te recyclen tot een verknoopt polymeer dat zijn sterkte en eigenschappen behoudt bij recycling. Hun methode draait om het transformeren van polyesters in vitrimeren - een nieuwe klasse polymeren met dynamische covalente bindingen die omkeerbaar kunnen breken en hervormen om nieuwe crosslinks te creëren. De dynamische covalente bindingen geven het vitrimeer gewenste eigenschappen, zoals recycleerbaarheid, herverwerkbaarheid en genezende eigenschappen, die kenmerken zijn van hoogwaardige functionele materialen. De studie werd op 1 augustus 2022 gepubliceerd in het Journal of Materials Chemistry A.

Dr. Hayashi zegt:"Ons onderzoek toont een eenmalig upcyclingproces aan van commerciële polyesters tot verknoopte vitrimeren met verbeterde thermomechanische eigenschappen en duurzame functies." Hij en zijn collega creëerden de vitrimeren door eenvoudig polyester te mengen met een crosslinker-molecuul - tetra-epoxy, samen met de chemische verbinding 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-een (DBU) als katalysator in de aanwezigheid van tetrahydrofuran als oplosmiddel. Het oplosmiddel werd later verdampt en het resterende mengsel werd 24 uur verwarmd op 200°C, waardoor een film van vitrimeer werd gevormd.

Met deze methode vindt de verknoping voor het produceren van vitrimeer plaats in drie snelle opeenvolgende fasen:hydrolyse (verbreken van de polyesterbindingen), epoxy-openingsreactie en intermoleculaire transverestering. Dr. Hayashi bespreekt de superieure mechano-elastische eigenschappen van de geproduceerde vitrimeren en zegt:"Het sterk verknoopte en recyclebare vitrimeer vertoont een 60-voudige toename in trekmodulus of Young's modulus en een 10-voudige toename van de maximale draaglijke spanning wanneer in vergelijking met het originele polyester. Het heeft ook een gelfractie van bijna 100%." Bovendien werd vastgesteld dat het vitrimeer zijn eigenschappen behoudt, zelfs nadat het in gebroken stukken is vermalen en tot een vlakke plaat is geperst, wat de recycleerbaarheid ervan bevestigt.

Kunststoffen zijn essentiële materialen met veel voordelen en nuttige eigenschappen omdat ze lichtgewicht, goedkoop, niet-toxisch en gemakkelijk te produceren zijn. Tegelijkertijd is het echter noodzakelijk de milieuschade die ze veroorzaken te erkennen en te beperken. Het verbeteren van de recycleerbaarheid van plastic polymeren zal recyclingprogramma's aanmoedigen en het gebruik van aardolie, een niet-hernieuwbare hulpbron, verminderen. Zoals Dr. Hayashi terecht opmerkt:"De wereld heeft behoefte aan veelzijdige opties voor het recyclen van synthetische polymeren. De methode die we voorstellen zal niet alleen het gebruik van van aardolie afgeleide chemicaliën elimineren, maar het zou ook de eerste stap kunnen zijn naar een praktisch en duurzaam upcyclingsysteem voor de toekomst, die zich houdt aan de principes van circulaire economie en helpt bij het realiseren van de SDG's."

Als een stap voorwaarts zijn de onderzoekers nu van plan om een ​​meer directe transformatie van polyesters in vitrimeer te bedenken zonder gebruik te maken van oplosmiddelen en onderzoeken ze ook om hun methode te gebruiken om commercieel PET om te zetten in andere zeer recyclebare materialen. Indien succesvol, kan de ontwikkelde methode leiden tot een gesloten kringloop van plasticproductie en het voorkomen van verdere milieucrises veroorzaakt door overmatige plasticproductie. + Verder verkennen

Kunststoffen upcyclen door dynamische crosslinking