Biopolykarbonatet är mycket genomskinligt att tropiska fiskar kan ses igenom. Kredit:Kredit:Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT)
Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) har utvecklat ett bio-polykarbonat som har monopoliserats av Japan, och har öppnat möjligheten till kommersialisering av biopolykarbonat.
Bio-polykarbonat är en miljövänlig bioplast som kan ersätta konventionell polykarbonat, som innehåller ämnet som orsakar miljöhormon, bisfenol A (BPA). Tills nu, Mitsubishi Chemical Corp. i Japan är det enda företaget som framgångsrikt kommersialiserat produktion av biopolykarbonat.
Dr Jeyoung Park, Dr Dongyeop Åh, och Dr. Sung Yeon Hwang från KRICTs forskningscenter för biobaserad kemi använde de växtbaserade komponenterna av isosorbid och nanocellulosa för att utveckla biopolykarbonatet.
BPA är ett petrokemiskt ämne och ett miljöhormon som orsakar endokrina störningar och metabola komplikationer. Det används mest i polykarbonat, och användningen av detta ämne är förbjuden i mjölkflaskor och kosmetika i Korea. Det används också i kvittopapper och beläggningsmaterial för konserver.
Av den anledningen, bio-polykarbonat har uppmärksammats som ett alternativ till polykarbonat som innehåller BPA. Dock, det är svårt att samtidigt tillfredsställa både ekonomisk genomförbarhet och hög mekanisk prestanda hos plaster med allmänna växtingredienser. KRICT övervann detta problem med kombinationen av isosorbid och nanocellulosa, och lyckades producera bio-polykarbonat som överträffar petroleumbaserat polykarbonat.
Isosorbid, en miljövänlig förening som härrör från glukos, förbättrar inte bara de mekaniska egenskaperna hos den inkorporerade polymeren, men har också goda optiska och UV-resistiva egenskaper tack vare sin unika molekylstruktur.
Forskargruppen tillämpade principen om "liknande löser sig som" där liknande föreningar blandas bättre. Isosorbid väl blandat med nanocellulosa som ett bioderiverat förstärkningsmedel eftersom båda ämnena är hydrofila och har en liknande struktur. Sedan, polymerisationsprocessen av nanokompositplasten genomfördes. Den väl spridda nanocellulosan fungerade som metallarmeringsjärn i betong och maximerade därmed styrkan hos bioplasten.
Dr Jeyoung Park i KRICT sa, "Vi ville bryta stereotypen att bioplast har sämre mekaniska egenskaper och är dyrt." Dr Park fortsatte, "Genom det synergistiska samspelet mellan de växtbaserade ingredienserna, vi kunde utveckla en bioplast som är överlägsen petroleumplast." det förbättrade avsevärt bioplastens fysiska egenskaper såsom styrka och transparens, som har pekats ut som begränsningar av allmän bioplast.
Det utvecklade biopolykarbonatet uppvisade en draghållfasthet (hur starkt ett material är) på 93 MPa. Detta är den högsta mätningen hittills bland befintliga petroleum och biopolykarbonater. Draghållfastheten hos petroleumpolykarbonat sträcker sig från 55 - 75 MPa, medan draghållfastheten för biopolykarbonatet från det japanska företaget Mitsubishi Chemical Corp. är 64 - 79 MPa.
Ljusgenomsläppligheten, som representerar plastens genomskinlighet, uppmättes till 93%. Detta beror på den undertryckta kristalliniteten genom den dispergerade nanocellulosan, och resultatet är mycket överlägset kommersiellt tillgängligt petroleumpolykarbonat. Detta är enastående eftersom de flesta nanokompositer har en minskad transparens eftersom olikformiga aggregat sprider ljus. Dessutom, det finns ingen risk för missfärgning även efter långvarig exponering för ultravioletta strålar eftersom det inte finns några bensenringar i biopolykarbonater, till skillnad från petroleumpolykarbonater.
Följaktligen, bio-polykarbonat kan användas som ett industriellt material för applikationer inklusive bilsoltak, strålkastare, genomskinliga bullerskärmar för motorvägar, och exteriörer av elektronik som smartphones. Materialet förväntas således vara ett gångbart alternativ till befintliga polykarbonater.
Också, den låga toxiciteten hos materialet verifierades genom in vivo inflammatoriska djurförsök med användning av en råttmodell, stödja materialets potential för biomedicinska tillämpningar. Injektion av polymeren i den subkutana vävnaden utfördes för att testa närvaron av inflammation, och en toxicitetsnivå på 1, från ett intervall på 0 - 5, uppmättes (toxiciteten är lägst när värdet närmar sig 0).
Dr Dongyeop Oh från KRICT sa, "Ett lågt toxicitetsresultat erhölls från in vivo inflammatoriska tester med en råtta. Toxicitetsnivån är säker för spädbarn och barn att stoppa i munnen, vilket innebär att materialen kan användas för medicinska ändamål i exempelvis implantat och konstgjorda ben, samt leksaker, mjölkflaskor, och barnvagnar."
The market size of petroleum polycarbonate based on the current production is about 5 million tons annually and the bio-polycarbonate annual production capacity of Mitsubishi Chemical Corp. is approximately 20, 000 ton. Although the bio-polycarbonate market is still in its infancy, the transition to commercialization due to this accomplishment is expected to contribute to domination of the bio-plastic market in the future.
This research achievement entitled "Preparation of synergistically reinforced transparent bio-polycarbonate nanocomposites with highly dispersed cellulose nanocrystals" was featured on the front cover of the October issue of Grön kemi of the Royal Society of Chemistry, which is the highest authority in the field of green chemistry, and it was simultaneously selected as a Hot Article of 2019.
KRICT Bio-based Chemistry Research Center Director Dr. Hwang Sung Yeon explained, "Fear of plastics is growing because of issues like plastic waste and chemophobia, but plastics have become an essential part of everyday life, so we will develop bio-plastics that people can use without fear."