Onderzoekers van de Universiteit van Tokyo hebben een innovatief plastic ontwikkeld dat sterker en rekbaarder is dan het huidige standaardtype. Het plastic is bovendien gedeeltelijk biologisch afbreekbaar, onthoudt zijn vorm en kan met warmte worden genezen. De onderzoekers creëerden het door het molecuul polyrotaxaan toe te voegen aan een epoxyhars vitrimeer, een soort plastic.

Het materiaal, genaamd VPR, kan zijn vorm behouden en heeft sterke interne chemische bindingen bij lage temperaturen. Bij temperaturen boven de 150° Celsius recombineren deze bindingen echter en kan het materiaal in verschillende vormen worden hervormd.

Door warmte en een oplosmiddel toe te passen, wordt VPR afgebroken tot zijn ruwe componenten. Onderdompeling in zeewater gedurende 30 dagen resulteerde ook in een biologische afbraak van 25%, waarbij het polyrotaxaan werd afgebroken tot een voedselbron voor het leven in zee. Dit nieuwe materiaal zou verreikende toepassingen kunnen hebben voor een meer circulaire economie om hulpbronnen te recirculeren en afval te verminderen, van techniek en productie tot medicijnen en duurzame mode.

De studie, "Milieuvriendelijke duurzame thermoset vitrimeer-bevattende polyrotaxane" is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Materials Letters .

Ondanks wereldwijde campagnes om het gebruik en de verspilling van plastic tegen te gaan, is het moeilijk om het alomtegenwoordige materiaal te vermijden. Van speelgoed en kleding, huishoudelijke artikelen en elektronica tot voertuigen en infrastructuur:tegenwoordig lijkt het misschien alsof dit in bijna alles zit wat we gebruiken. Hoewel nuttig, zijn er veel problemen verbonden aan de levenscyclus en de verwijdering van plastic.

Het ontwikkelen van alternatieven die langer meegaan, gemakkelijker kunnen worden hergebruikt en gerecycled, of die zijn gemaakt van milieuvriendelijke bronnen, is van cruciaal belang om deze problemen te helpen oplossen en een aantal van de Duurzame Ontwikkelingsdoelstellingen van de Verenigde Naties te realiseren.

Met dit in gedachten hebben onderzoekers van de Universiteit van Tokio een duurzamer plastic gemaakt, gebaseerd op een epoxyhars vitrimeer. Vitrimeren zijn een relatief nieuwe klasse kunststoffen, die stevig en sterk zijn bij lagere temperaturen (zoals thermohardende kunststoffen, gebruikt om hittebestendig serviesgoed te maken), maar die ook bij hogere temperaturen meerdere malen kunnen worden vervormd (zoals thermoplasten, gebruikt voor plastic flessen ). Ze zijn echter doorgaans broos en kunnen niet ver worden uitgerekt voordat ze breken.

Door een molecuul toe te voegen genaamd polyrotaxaan, kon het team een ​​dramatisch verbeterde versie creëren die ze VPR noemden (vitrimeer opgenomen met polyrotaxaan [PR]).

"VPR is ruim vijf keer zo resistent tegen breuk als een typisch epoxyhars vitrimeer", zegt projectassistent professor Shota Ando van de Graduate School of Frontier Sciences. "Het repareert zichzelf ook vijftien keer zo snel, kan zijn oorspronkelijke, in het geheugen opgeslagen vorm twee keer zo snel terugkrijgen en kan tien keer zo snel chemisch worden gerecycled als het typische vitrimeer. Het wordt zelfs veilig biologisch afgebroken in een mariene omgeving, wat nieuw is voor dit materiaal. "

Polyrotaxane wint steeds meer belangstelling in de wetenschap en de industrie vanwege zijn vermogen om de taaiheid van verschillende materialen te verbeteren. In dit onderzoek betekende de verbeterde stevigheid van VPR dat complexere vormen zelfs bij lage temperaturen konden worden gecreëerd en behouden (zoals de origami-kraan in de video die bij deze release is geleverd).

Verwijdering of recycling was ook gemakkelijker dan voor vitrimeren zonder polyrotaxaan, legt Ando uit.

"Hoewel deze hars bij kamertemperatuur onoplosbaar is in verschillende oplosmiddelen, kan deze gemakkelijk worden afgebroken tot op het niveau van de grondstof wanneer deze wordt ondergedompeld in een specifiek oplosmiddel en wordt verwarmd. Ook vertoonde de hars een biologische afbraak van 25% na blootstelling aan zeewater gedurende 30 dagen. Ter vergelijking:vitrimer zonder PR onderging geen enkele zichtbare biologische afbraak. Deze kenmerken maken het tot een ideaal materiaal in de huidige samenleving, die recycling van hulpbronnen vereist", aldus Ando.

Van techniek tot mode, van robotica tot geneeskunde, het team voorziet zowel praktische als speelse toepassingen voor VPR.

"Om maar een paar voorbeelden te geven:infrastructuurmaterialen voor wegen en bruggen zijn vaak samengesteld uit epoxyharsen vermengd met verbindingen zoals beton en koolstof. Door VPR te gebruiken, zouden deze gemakkelijker te onderhouden zijn, omdat ze sterker en herstelbaar zouden zijn met behulp van hitte", suggereerde hij. Ando.

"In tegenstelling tot conventionele epoxyharsen is dit nieuwe materiaal hard maar rekbaar, dus je zou ook kunnen verwachten dat het materialen met verschillende hardheid en rek sterk zal verbinden, zoals nodig is voor de productie van voertuigen. Bovendien beschikt het over vormgeheugen, vormbewerking en vorm herstelvermogen, misschien kun je op een dag ook thuis het silhouet van je favoriete kleding herschikken met een föhn of een stoomstrijkijzer."

De volgende stap van het team zal zijn om met bedrijven samen te werken om de haalbaarheid van de verschillende ideeën voor VPR te bepalen, en om het onderzoek in het laboratorium voort te zetten. "Ik heb altijd gedacht dat bestaande kunststoffen heel moeilijk terug te winnen en te verwijderen zijn, omdat ze zijn onderverdeeld op basis van hun gebruik", zegt Ando. "Het zou ideaal zijn als we veel van de problemen in de wereld zouden kunnen oplossen met één enkel materiaal als dit."

Meer informatie: Shota Ando et al, Milieuvriendelijk duurzaam thermohardend vitrimeerhoudend polyrotaxaan, ACS Materials Letters (2023). DOI:10.1021/acsmaterialslett.3c00895

Aangeboden door Universiteit van Tokio