Voor een polymeer dat is samengesteld uit zeer eenvoudige herhalende eenheden, heeft polyethyleenimine (PEI) een verbazingwekkend aantal praktische toepassingen, waaronder wasmiddelen, kleefstoffen, cosmetica, industriële middelen, CO₂ vangen, en zelfs celculturen. In het algemeen wordt PEI gesynthetiseerd door de ringopeningspolymerisatie van ethyleenimine, ook bekend als aziridine. Op deze manier geproduceerd, is het resultaat een vloeibaar polymeer met een vertakkende structuur.

Ondanks het enorme potentieel wordt PEI tegengehouden door het feit dat ethyleenimine een zeer giftige stof is. Omdat deze voorloper commercieel niet beschikbaar is, is het nogal moeilijk om experimenten uit te voeren die gericht zijn op het beheersen van de morfologie of toestand van PEI. Als gevolg hiervan lopen we mogelijk veel nieuwe toepassingen voor PEI mis.

Om dit probleem aan te pakken, heeft een onderzoeksteam van het Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, zich gericht op de ontwikkeling van nieuwe op PEI gebaseerde netwerkpolymeren. Onder leiding van professor Naofumi Naga van de Graduate School of Engineering and Science bij SIT, ontdekte dit team onlangs een eenvoudige, maar revolutionaire manier om dergelijke polymeren te produceren uitgaande van een triaziridineverbinding; hun suggestie - voeg gewoon wat water toe. Deze studie, online beschikbaar gemaakt op 12 april 2022 en vervolgens gepubliceerd in volume 11 nummer 5 van ACS Macro Letters op 17 mei 2022, werd gedaan in samenwerking met professor Tamaki Nakano van het Institute for Catalysis and Graduate School of Chemical Sciences and Engineering, aan de Hokkaido University, Japan, via het Joint Usage/Research Center Program (MEXT).

Hoewel de onderzoekers twee triaziridineverbindingen testten, kon slechts één ervan consistent een poreus polymeernetwerk opleveren na reactie met water. De volledige chemische naam is 2,2-bishydroxymethylbutanol-tris[3-(1-aziridinyl)propionaat] en kan worden afgekort als "3AZ". Het team ontdekte dat het oplossen van 3AZ in gedestilleerd water bij temperaturen van 20 tot 50 °C voldoende was om de aziridinegroepen te openen en de 3AZ-monomeren met elkaar te verbinden. Het resultaat, onder de meeste temperaturen en initiële 3AZ-concentraties, was een poreuze polymeerfase.

Het team analyseerde de morfologie van de poreuze polymeren via scanning-elektronenmicroscopie. Hoewel de synthesetemperatuur in dit opzicht geen rol leek te spelen, resulteerden verschillende concentraties van 3AZ in verschillende deeltjesgroottes, variërend van 1 tot 5 m. Integendeel, de synthesetemperatuur had wel invloed op enkele van de mechanische eigenschappen van de poreuze polymeren, zoals hun Young's (elasticiteits)modulus. Met name waren alle poreuze polymeren bestand tegen compressietests van 50 N.

In staat zijn om de morfologische en mechanische eigenschappen van op PEI gebaseerde poreuze polymeren aan te passen is een groot voordeel, vooral wanneer het enige dat nodig is het aanpassen van een eenvoudige reactie met water is. "Water is een ideaal oplosmiddel voor chemie vanwege de milieuvriendelijkheid, beschikbaarheid en duurzaamheid", merkt professor Naga op. Naast de veelzijdige eigenschappen ontdekte het team dat hun poreuze polymeren verschillende oplosmiddelen konden absorberen, ongeacht hun eigenschappen, waaronder hexaan, aceton, ethanol, dichloormethaan en chloroform.

Over het algemeen zal deze studie hopelijk nieuwe op PEI gebaseerde polymeren in de schijnwerpers brengen. Met het oog op de toekomst verwachten professor Naga en collega's nieuwe toepassingen voor deze verbindingen te vinden. "Verwerking en chemische modificatie van de poreuze 3AZ-polymeren zullen hun toepassingsgebieden waarschijnlijk uitbreiden, en onderzoeken naar deze aspecten zijn al aan de gang", besluit hij. + Verder verkennen

Verbeterde methode om vertakte polymeren te maken