Detaily článku

Nová cesta k chemicky recyklovatelným plastům

Vzhledem k tomu, že břemeno planety s gumovým a plastovým odpadem roste v nezmenšené míře, vědci stále více hledají příslib recyklace uzavřenou smyčkou, aby se snížil odpad. Tým vědců z Princetonského chemického oddělení oznamuje objev nové molekuly polybutadienu - z materiálu známého již více než století a používaného k výrobě běžných produktů, jako jsou pneumatiky a boty, který by jednoho dne mohl tento cíl urychlit depolymerací.

Datum: 1.2.2021

recyklovatelné plasty

Laboratoř Chirik uvádí v Nature Chemistry, že během polymerace molekula, pojmenovaná (1,n-divinyl) oligocyklobutan, se skládá do opakující se sekvence čtverců, dříve nerealizovanou mikrostrukturu, která umožňuje za určitých podmínek postupovat zpět či depolymerovat .

Jinými slovy, butadien lze „zazipovat“ a vytvořit nový polymer; tento polymer lze poté rozbalit zpět na původní monomer, který se má znovu použít.

Výzkum je stále v rané fázi a vlastnosti materiálu je třeba ještě důkladně prozkoumat. Ale laboratoř Chirik poskytla koncepční precedens pro chemickou transformaci, která se u některých komoditních materiálů obecně nepovažuje za praktickou.

V minulosti byla depolymerace prováděna s drahými specializovanými polymery a pouze po mnoha krocích, ale nikdy ze suroviny, která byla běžná jako ta, která se používala k výrobě polybutadienu, jedné ze sedmi hlavních primárních petrochemikálií na světě. Butadien je hojná organická sloučenina a hlavní vedlejší produkt vývoje fosilních paliv. Používá se k výrobě syntetického kaučuku a plastových výrobků.

Vědci také zkoušejí katalýzu železem. V tomto konkrétním výzkumu železný katalyzátor působí na butadienové monomery a vytvoří oligocyklobutan. Ale dělá to ve velmi neobvyklém čtvercovém strukturálním motivu. Za normálních okolností dochází k vytvoření struktury ve tvaru písmene S, která je často popisována jako vypadající jako špagety. Poté, aby se ovlivnila depolymerace, je oligocyklobutan vystaven ve vakuu přítomnosti železného katalyzátoru, který obrátí proces a získá monomer.

Materiál má také zajímavé vlastnosti, například je to telechelic, což znamená, že řetězec je funkcionalizován na obou koncích. Tato vlastnost by mohla umožnit, aby byl použit jako stavební blok sám o sobě a sloužil jako most mezi jinými molekulami v polymerním řetězci. Kromě toho je tepelně stabilní, což znamená, že jej lze zahřát na teplotu nad 250 stupňů C bez rychlého rozkladu.
Nakonec vykazuje vysokou krystalinitu i při nízké molekulové hmotnosti 1 000 gramů na mol (g / mol). To by mohlo naznačovat, že žádoucích fyzikálních vlastností - jako je krystalinita a pevnost materiálu - lze dosáhnout při nižších hmotnostech, než se obecně předpokládá. Například polyethylen používaný v průměrné plastové nákupní tašce má molekulovou hmotnost 500 000 g / mol.

„Jednou z věcí, kterou v článku předvádíme, je, že z tohoto monomeru lze vyrobit opravdu tvrdé materiály,“ řekl Chirik, profesor chemie Edwards S. Sanford z Princetonu. „Energie mezi polymerem a monomerem může být blízká a můžete se pohybovat sem a tam, ale to neznamená, že polymer musí být slabý. Samotný polymer je silný.

Chemický průmysl používá malý počet stavebních bloků k výrobě většiny komoditních plastů a pryže. Tři takové příklady jsou ethylen, propylen a butadien. Hlavní výzvou recyklace těchto materiálů je, že je často nutné je kombinovat a poté posílit dalšími přísadami, aby se vyrobily plasty a gumy: přísady poskytují požadované vlastnosti - například tvrdost víčka zubní pasty nebo lehkost nákupní tašky. Všechny tyto „přísady“ musí být v procesu recyklace znovu odděleny.
Ale chemické kroky spojené s touto separací a vstupem energie potřebné k tomu, aby to bylo, činí recyklaci neúnosně nákladnou, zejména pro plasty na jedno použití. Plast je levný, lehký a pohodlný, ale nebyl navržen s ohledem na likvidaci.
Jako možnou alternativu výzkum Chirik ukazuje, že butadienový polymer je téměř energeticky stejný jako monomer, což z něj činí kandidáta na chemickou recyklaci v uzavřené smyčce.

Chemici přirovnávají proces výroby produktu ze suroviny k válení balvanu do kopce, přičemž vrchol přechodu je přechodový stav. Z tohoto stavu svinete balvan na druhou stranu a skončíte s výrobkem. Ale u většiny plastů jsou energie a náklady na převrácení balvanu zpět do kopce, aby se obnovil jeho surový monomer, ohromující, a tedy nereálné. Většina plastových tašek a pryžových výrobků a nárazníků automobilů tedy končí na skládkách.

V další fázi výzkumu Chirik uvedl, že jeho laboratoř se zaměří na enchainment, kterého v tomto okamžiku chemici dosáhli pouze v průměru až 17 jednotek. Při této délce řetězce se materiál stane krystalickým a tak nerozpustným, že vypadne z reakční směsi. Je zapotřebí ale dosáhnout vyšší molekulové hmotnosti.

Vědci jsou stále nadšení z vyhlídek na oligocyklobutan a v této pokračující spolupráci směrem k chemicky recyklovatelným materiálům je plánováno mnoho výzkumů.

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Jonathan Darmon, Princeton University Department of Chemistry

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.