Termohärdar, som inkluderar epoxi, polyuretaner, och gummi som används för däck, finns i många produkter som måste vara hållbara och värmebeständiga, som bilar eller elektriska apparater. En nackdel med dessa material är att de vanligtvis inte lätt kan återvinnas eller brytas ned efter användning, eftersom de kemiska bindningarna som håller ihop dem är starkare än de som finns i andra material som termoplaster.

MIT-kemister har nu utvecklat ett sätt att modifiera härdplast med en kemisk länk som gör materialen mycket lättare att bryta ner, men låter dem ändå behålla den mekaniska styrkan som gör dem så användbara.

I en studie som visas idag i Natur , forskarna visade att de kunde tillverka en nedbrytbar version av en härdplast som kallas pDCPD, bryt ner det till ett pulver, och använd pulvret för att skapa mer pDCPD. De föreslog också en teoretisk modell som antydde att deras tillvägagångssätt skulle kunna tillämpas på ett brett spektrum av plaster och andra polymerer, såsom gummi.

"Detta arbete avslöjar en grundläggande designprincip som vi tror är allmän för alla typer av härdplast med denna grundläggande arkitektur, säger Jeremiah Johnson, en professor i kemi vid MIT och seniorförfattaren till studien.

Peyton Shieh, en postdoktor från American Cancer Society vid MIT, är den första författaren till tidningen.

Svårt att återvinna

Termohärdar är en av de två huvudklasserna av plast, tillsammans med termoplaster. Termoplaster inkluderar polyeten och polypropen, som används för plastpåsar och annan engångsplast som matomslag. Dessa material tillverkas genom att värma upp små pellets av plast tills de smälter, forma dem sedan till önskad form och låt dem svalna tillbaka till en fast form.

Termoplaster, som utgör cirka 75 procent av världens plastproduktion, kan återvinnas genom att värma dem igen tills de blir flytande, så att de kan formas om till en ny form.

Termohärdande plaster tillverkas med en liknande process, men när de väl kylts från en vätska till ett fast ämne, det är mycket svårt att återställa dem till flytande tillstånd. Det beror på att bindningarna som bildas mellan polymermolekylerna är starka kemiska bindningar som kallas kovalenta bindningar, som är mycket svåra att bryta. Vid uppvärmning, härdplaster kommer vanligtvis att brinna innan de kan formas om, säger Johnson.

"När de väl har satts i en given form, de är i den formen för sin livstid, " säger han. "Det finns ofta inget enkelt sätt att återvinna dem."

MIT-teamet ville utveckla ett sätt att behålla de positiva egenskaperna hos härdplaster - deras styrka och hållbarhet - samtidigt som de gör dem lättare att bryta ner efter användning.

I en tidning som publicerades förra året, med Shieh som huvudförfattare, Johnsons grupp rapporterade ett sätt att skapa nedbrytbara polymerer för läkemedelstillförsel, genom att införliva en byggsten, eller monomer, innehållande en silyletergrupp. Denna monomer är slumpmässigt fördelad i materialet, och när materialet utsätts för syror, baser, eller joner som fluorid, silyleterbindningarna bryts.

Samma typ av kemisk reaktion som används för att syntetisera dessa polymerer används också för att göra vissa härdplaster, inklusive polydicyklopentadien (pDCPD), som används för karosseripaneler i lastbilar och bussar.

Genom att använda samma strategi från deras 2019 papper, forskarna lade silyletermonomerer till de flytande prekursorerna som bildar pDCPD. De fann att om silyletermonomeren utgjorde mellan 7,5 och 10 procent av det totala materialet, pDCPD skulle behålla sin mekaniska styrka men skulle kunna brytas ned till ett lösligt pulver vid exponering för fluoridjoner.

"Det var det första spännande vi hittade, ", säger Johnson. "Vi kan göra pDCPD nedbrytbart utan att skada dess användbara mekaniska egenskaper."

Nya material

I den andra fasen av studien, forskarna försökte återanvända det resulterande pulvret för att bilda ett nytt pDCPD-material. Efter att ha löst upp pulvret i prekursorlösningen som användes för att göra pDCPD, de kunde göra nya pDCPD härdplaster av det återvunna pulvret.

"Det nya materialet är nästan omöjligt att skilja, och på något sätt förbättrats, mekaniska egenskaper jämfört med originalmaterialet, " säger Johnson. "Att visa att du kan ta nedbrytningsprodukterna och göra om samma härdplast igen med samma process är spännande."

Forskarna tror att detta allmänna tillvägagångssätt kan tillämpas på andra typer av härdplastkemi också. I den här studien, de visade att användning av nedbrytbara monomerer för att bilda de individuella strängarna av polymererna är mycket effektivare än att använda nedbrytbara bindningar för att "tvärbinda" strängarna tillsammans, som har prövats tidigare. De tror att detta klyvbara strängtillvägagångssätt skulle kunna användas för att generera många andra typer av nedbrytbara material.

Om rätt typer av nedbrytbara monomerer kan hittas för andra typer av polymerisationsreaktioner, detta tillvägagångssätt kan användas för att göra nedbrytbara versioner av andra härdplastmaterial som akryl, epoxi, silikoner, eller vulkaniserat gummi, säger Johnson.

Forskarna hoppas nu kunna bilda ett företag för att licensiera och kommersialisera tekniken. MIT har också beviljat Millipore Sigma en icke-exklusiv licens att tillverka och sälja silyletermonomererna för forskningsändamål.

Patrick Casey, en ny produktkonsult på SP Insight och en mentor vid MIT:s Deshpande Center for Technological Innovation, har arbetat med Johnson och Shieh för att utvärdera tekniken, inklusive att utföra vissa preliminära ekonomiska modeller och sekundära marknadsundersökningar.

"Vi har diskuterat denna teknik med några ledande branschaktörer, som säger till oss att det lovar att vara bra för intressenter i hela värdekedjan, " Casey säger. "Delar tillverkarna får en ström av billiga återvunna material; utrustningstillverkare, som bilföretag, kan uppfylla sina hållbarhetsmål; och återvinningsföretag får en ny intäktsström från härdplast. Konsumenterna ser en kostnadsbesparing, och vi alla får en renare miljö."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.