Wetenschappers hebben een nieuw materiaalsysteem ontworpen om een ​​van de grootste uitdagingen bij het recyclen van consumentenproducten het hoofd te bieden:recycling van gemengd plastic. Hun prestatie zal helpen om een ​​veel breder scala aan volledig recyclebare plastic producten mogelijk te maken en een efficiënte circulaire economie voor duurzame goederen zoals auto's binnen handbereik te brengen.

We produceren elk jaar duizelingwekkende hoeveelheden plastic en plastic bevattende producten, maar slechts een klein deel van dat plastic kan worden teruggewonnen en gebruikt om producten van vergelijkbare kwaliteit te vervaardigen. Dat komt omdat de meeste producten, van voedselverpakkingsfolies en tassen voor eenmalig gebruik tot sneakers en elektronica, gemaakt zijn van mengsels van verschillende soorten plastic, en als ze eenmaal gemengd zijn, kunnen die plastics niet worden teruggewonnen en gebruikt om nieuwe tassen of sneakers te maken. In plaats daarvan komt het meeste op stortplaatsen, verbrandingsovens of oceanen terecht.

Een team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pakt de uitdaging van gemengd plastic aan met behulp van een speciaal ontworpen materiaal genaamd polydiketoenamine (PDK), een nieuw type plastic dat ze hebben ontwikkeld om efficiënt en voor onbepaalde tijd te worden gerecycled. koolstofproductieoplossing voor plastic producten die nooit op een stortplaats hoeven te belanden.

In een nieuwe studie die verschijnt in Science Advances , toonde het team aan dat ze op maat gemaakte PDK's kunnen maken die specifiek zijn afgestemd op recycling van gemengd plastic en dat ze de samenstellende kunststoffen volledig kunnen terugwinnen uit een gemengd product dat is samengesteld uit meerdere PDK's en andere veelvoorkomende productiematerialen. Brett Helms, van de Molecular Foundry van Berkeley Lab, leidde het multidisciplinaire team, dat ook onderzoekers van onder meer het Joint BioEnergy Institute (JBEI) en de Advanced Light Source van Berkeley Lab omvatte. Het werk is een belangrijke validatie van een veelbelovend materiaal en verdiept onze kennis van de polymeerchemie.

"We weten nu hoe we PDK-kunststoffen op maat moeten maken om complexe producten van verschillende soorten materialen te recyclen", zegt Helms. "Een voorbeeld kan een schoen zijn, waarbij een textiel met een lijm aan een rubber is gehecht. Conventionele materialen die in dergelijke producten worden gebruikt, kunnen niet worden gerecycled voor hergebruik, omdat ze niet zelfstandig kunnen worden gedeconstrueerd. Maar als ze gemaakt zijn van verschillende, speciaal ontworpen PDK-polymeren, dan kunnen ze dat voor het eerst zijn."

Ontwerpmateriaal maken

PDK's en andere kunststoffen staan ​​bekend als polymeren, materialen waarin de samenstellende moleculen lange ketens zijn van kleine herhalende eenheden die bekend staan ​​als monomeren. Voor dit werk begonnen de onderzoekers met het maken van een verscheidenheid aan PDK's met enigszins verschillende chemische structuren en toonden aan dat elk kon worden "gedepolymeriseerd" of afgebroken tot zijn respectieve monomeren met hoge opbrengsten aan herstel. Dit is in wezen het proces van kunststofrecycling, omdat die teruggewonnen monomeren vervolgens kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe batch PDK te maken.

Het team ontdekte dat elke PDK depolymeriseerde bij een andere temperatuur en snelheid. Om die eigenschappen beter te begrijpen, gebruikten ze theoretische berekeningen en rekenmodellen (dichtheidsfunctionaaltheorie) om de verschillende polymeren te simuleren en te onderzoeken hoe ze zich vormen en depolymeriseren. Met behulp van die theoretische inzichten heeft het team de beste PDK-moleculen voor de klus geïdentificeerd en hun ontwerp verder geoptimaliseerd.

"Een bijzonder mooi aspect van dit werk was de nauwe integratie tussen de experimenten en berekeningen", zegt Kristin Persson, directeur van Molecular Foundry, die het theoretische werk leidde. "Door het mechanisme bloot te leggen dat aan circulariteit ten grondslag ligt, konden we nieuwe polymeren ontwerpen die recyclebaar blijven. We zijn verheugd dat deze ontwerpinzichten toekomstig werk zullen informeren."

"Het is door die interacties tussen theorie en experiment dat we de kennis en het raamwerk opbouwen om de ontwerpregels vast te stellen die de reactiviteit van polymeer regelen", zei Helms. "Anders zouden we alleen observaties hebben, in plaats van een verklaring."

Gemengde kunststoffen? Geen probleem

Met behulp van die geoptimaliseerde moleculen demonstreerden de onderzoekers het succes van hun materiaalsysteem door gemengde kunststoffen te maken, elk gemaakt van twee verschillende PDK's, en vervolgens de samenstellende materialen volledig te depolymeriseren en terug te winnen. Ze herhaalden de demonstratie met PDK's van verschillende kleuren, waarmee ze een specifieke industriële uitdaging aangingen, en toonden aan dat ze met een iets complexer proces de PDK-monomeren opnieuw met hoge opbrengsten konden terugwinnen.

Het team liet ook zien hoe PDK kan worden gebruikt om recyclebare, flexibele plastic verpakkingen te maken van conventionele kunststoffen. Ze vormden een meerlagige film van gewone kunststoffen - polypropyleen (PP) en polyethyleentereftalaat (PET) - met behulp van een "bindlaag" van PDK om ze aan elkaar te hechten. Normaal gesproken konden de PP en PET niet worden geëxtraheerd uit een meerlagig materiaal, maar hier gebruikten de onderzoekers hun controle over de PDK-laag om ook de PP- en PET-films te scheiden en terug te winnen.

In een laatste demonstratie van hun krachtige aanpak construeerden de onderzoekers een object uit een mix van verschillende PDK's samen met glas en roestvrij staal, om de uitdagingen van autorecycling te simuleren, en doorliepen ze het recyclingproces opnieuw, waarbij ze een hoog rendementsherstel van de PDK-monomeren evenals het glas en metaal. Deze resultaten kunnen leiden tot een betekenisvolle verschuiving in de manier waarop we de productie van duurzame goederen benaderen, waardoor een circulaire economie mogelijk wordt waarin producten zijn ontworpen om volledig te worden teruggewonnen en hergebruikt.

"Complexe consumentenproducten worden tegenwoordig gewoon niet gerecycled; ze worden ofwel verbrand, gestort of gedowncycled", zei Helms. "Hier hebben we de basis gelegd voor het recyclen van dergelijke producten terug naar hun oorspronkelijke monomeerbouwstenen, waarbij we de terugwinning van materialen die eraan zijn gebonden voor hergebruik, waaronder waardevolle metalen of glas, vergemakkelijken. Op deze manier zorgen PDK-materialen voor meer circulariteit tot productie met een intrinsiek lage koolstofintensiteit." + Verder verkennen

Plastic afbreken in zijn samenstellende delen