Je hoeft er niet aan herinnerd te worden dat de plasticproductie en de plasticvervuiling door de jaren heen gestaag zijn toegenomen; het bewijsmateriaal is overal om ons heen te vinden. Wat als we plastic konden recyclen op een manier die echt duurzaam is?

Die vraag wordt gesteld door Reika Katsumata, assistent-professor en Ph.D. student Autumn Mineo van de afdeling Polymer Science and Engineering (PSE) van het College voor Natuurwetenschappen, die experimenteert met polymeerrecycling om nieuwe, milieubewuste chemie en technologieën voor de herverwerking van polymeer te identificeren.

Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition .

De realiteit van recycling

We zouden allemaal graag willen denken dat, ondanks onze inspanningen om niet-recycleerbare voorwerpen te vermijden, de piepschuimbeker die we zo nu en dan in de prullenbak gooien, uiteindelijk kan worden omgezet in een gloednieuwe beker met weinig of geen impact op het milieu, maar het recyclingproces is ingewikkelder dan dat.

Mechanische recycling is afhankelijk van barre temperaturen en verwerkingsomstandigheden om bepaalde stromen post-consumptieafval opnieuw uit te vinden als nieuwe producten. Herhaalde blootstelling aan deze omstandigheden heeft tot gevolg dat het materiaal na verloop van tijd kapot gaat en een overeenkomstige verslechtering van de materiaaleigenschappen tot gevolg heeft, een resultaat dat vaak 'downcycling' wordt genoemd.

Als alternatief kunnen bepaalde polymeren chemisch worden afgebroken en opnieuw gevormd, wat leidt tot een langere levensduur en materiaalrobuustheid. Voor veel van de basispolymeren die tegenwoordig worden gebruikt, is chemische recycling echter niet mogelijk.

Upcycling door chemie

Katsumata en haar team probeerden een duurzamer proces te creëren voor het recyclen en opnieuw verwerken van polymeren door middel van wat bekend staat als additie-fragmentatie-overdracht (AFT) chemie, een veld dat zich richt op op radicaal gebaseerde bindingsuitwisselingsreacties. "Alledaagse kunststoffen zijn grote moleculen die polymeren worden genoemd en bestaan ​​uit herhalende eenheden of 'monomeren'", legt Katsumata uit. "Veel polymeren kunnen niet chemisch worden afgebroken en hervormd, omdat de enkelvoudige koolstof-koolstofbindingen die monomeren bij elkaar houden relatief stabiel zijn."

Om dit stabiliteitsprobleem aan te pakken, hebben PSE-onderzoekers een additief ontwikkeld dat copolymeriseert met conventionele monomeren en hoofdketeneenheden genereert die het vermogen hebben om via AFT-chemie uit te wisselen.

"Deze dynamische koppeling kan zowel polymeersplitsing (of scheiding) als polymeeruitbreiding bevorderen om recycling in een gesloten lus te voltooien", aldus Katsumata. "Bovendien maakt de dynamische aard van ons additief andere chemische modificaties mogelijk met het potentieel om de productwaarde te 'upcyclen' of te verhogen, door standaard plastic afval te gebruiken en nieuwe soorten gespecialiseerde polymeren te vormen, zoals blokcopolymeerkleefstoffen."

Dit werk identificeerde een nieuw monomeer dat compatibel is met bestaande methoden voor het synthetiseren van polymeren, waardoor een dynamische binding ontstaat tussen monomeereenheden die kunnen worden gebruikt om het plastic na gebruik af te breken. Deze kleinere fragmenten van polymeren, oligomeren genoemd, blijven reactief en kunnen dienen als startpunt van waaruit nieuwe polymeren kunnen groeien.

Het team ontdekte dat de cyclus van het afbreken van polymeren (ketensplitsing) en het opnieuw laten groeien ervan (ketenverlenging) kan worden herhaald en aangepast om de mate van splitsing en verlenging te veranderen.

Bewustzijn opbouwen

Een belangrijke drijfveer achter dit onderzoek was de gretigheid om innovatie te stimuleren. "Ons onderzoek heeft de fundamentele kennis van de AFT-chemie vergroot door latente reactiviteit na polymerisatie aan het licht te brengen", aldus Katsumata. "Bovendien hopen we dat ons werk de polymeerindustrie heeft geïnspireerd om te investeren in copolymerisatiestrategieën en andere recyclingtechnologie, vooral als deze van toepassing is op polyolefineproducten."

Katsumata en het PSE-team zijn van mening dat dit onderzoek kan dienen als basis voor nieuwe recyclingmethoden en de identificatie van milieuvriendelijke chemie en technieken, waardoor een glimp wordt geboden van een toekomst waarin plastic en andere uitdagende materialen duurzamer worden beheerd.

Meer informatie: Autumn M. Mineo et al., Een veelzijdig comonomeeradditief voor radicaal recycleerbare vinylgebaseerde polymeren, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316248

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Aangeboden door Universiteit van Massachusetts Amherst