Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory och deras partners från Clemson University har upptäckt en grön, lågenergiprocess för att bryta ner polystyren, en typ av plast som används ofta i skumförpackningsmaterial, matbehållare för engångsbruk, bestick, och många andra applikationer.

Polystyren är en del av ett mycket större globalt plastavfallsproblem. Hundratals miljoner ton polymerer produceras varje år, en stor majoritet av dessa kasseras efter användning. På grund av den kemiska stabiliteten och hållbarheten hos industriella polymerer, plastavfall bryts inte lätt ned på deponier och bränns ofta, som producerar koldioxid och andra farliga gaser. För att stoppa den växande översvämningen av polymeravfall och minska koldioxidutsläppen, plast måste återvinnas eller omvandlas till nya förädlade produkter.

För närvarande, återvinning av det stora flertalet plast är inte ekonomiskt genomförbart; deras sortering och separation är tids- och arbetskrävande, medan kemisk bearbetning och återtillverkning kräver en betydande energiinsats och giftiga lösningsmedel. Ombearbetade polymerer visar ofta sämre prestanda än de nytillverkade "gjorda från grunden"-material.

Ett team av forskare vid Ames Laboratory använde bearbetning genom kulfräsning för att dekonstruera kommersiell polystyren i ett enda steg, vid rumstemperatur, i omgivande atmosfär i frånvaro av skadliga lösningsmedel. Kulfräsning är en teknik som placerar material i en fräsflaska med metallkullager som sedan omrörs tills en önskad kemisk reaktion inträffar. Kallas mekanokemi, detta experimentella tillvägagångssätt har många tillämpningar i syntes av nya material, och attraktiva egenskaper när det gäller plaståtervinning.

Dekonstruktionen av polystyren fortskrider genom en serie kemiska händelser som involverar mekanisk skärning av makromolekylerna, som genererar fria radikaler som är detekterbara i det malda materialet även efter långvarig exponering för luft. Metalllagren som används för malning och det omgivande syret fungerar som samkatalysatorer som möjliggör extraktion av den monomera styrenen från de bildade oligomera radikal-bärande ämnena. Experimenten visade att temperaturhöjningen i materialet under malning inte är ansvarig för det observerade fenomenet eftersom temperaturen inuti det malda pulvret inte överstiger 50oC medan den termiska nedbrytningen av polystyren i luft börjar vid ca 325oC. Clemsons grupp bekräftade den omfattande dekonstruktionen av den ursprungliga polymeren till mindre fragment, oligomera material, lämplig för vidareförädling till nya förädlade produkter.

"Denna metod representerar ett viktigt genombrott som möjliggör demontering av en polymer samtidigt med dess nedbrytning under omgivande förhållanden, det är, ~300 C under den termiska nedbrytningstemperaturen för det orörda materialet", säger Viktor Balema, seniorforskare vid Ames Laboratory. "Vi tror att detta proof of concept är en spännande möjlighet för att utveckla ny återvinningsteknik för alla typer av plaster, och det kommer att bidra till etableringen av den cirkulära ekonomin."

Hans partner från Clemson University, Kentwool Distinguished Professor Igor Luzinov, kommenterade vidare att "denna upptäckt öppnar nya vägar för lågtemperaturåtervinning av monomerer från flerkomponentpolymerbaserade system som kompositer och laminat. Dessutom, vår teknologi kommer att tillåta att extrahera monomeren från tvärbundna material som innehåller styrenenheter i sina strukturer."

Alfred P. Sloan Foundation Research Fellow, Professor Aaron Rossini vid Iowa State University, noterade vidare att "elektronparamagnetisk resonansspektroskopi visar stora koncentrationer av kolcentrerade fria radikaler i polystyren som maldes i luft. Detta är ett häpnadsväckande resultat eftersom fria radikaler normalt är mycket reaktiva. Dessutom, närvaron av radikalerna ger direkta bevis för att målningen direkt orsakar splittring av polymerkedjorna. Vi förväntar oss att de reaktiva platserna som är förknippade med de fria radikalerna kan användas för att funktionalisera de bearbetade polymererna för att erhålla nya förädlade produkter."

Forskningen diskuteras vidare i artikeln "Depolymerisation of polystyrene under ambient conditions, " författad av Viktor P. Balema, Ihor Z. Hlova, Scott L. Carnahan, Mastooreh Seyedi, Oleksandr Dolotko, Aaron J. Rossini, och Igor Luzinov; visas på omslagets framsida New Journal of Chemistry .