För att syntetisera plast, små monomermolekyler måste träs ihop som pärlor i ett halsband, skapa långa polymerkedjor.

Dock, inte alla plaster – eller deras polymerer – skapas lika. Ju längre och starkare polymeren är, desto mer hållbart material.

Cornell-forskare tog en medelstor monomer och, genom att använda en speciell katalysator, de skapade en segare polymer som kan bilda långa kedjor. Polymeren kan sedan lätt depolymeriseras tillbaka till monomertillståndet med en syrakatalysator, vilket resulterar i en kemiskt återvinningsbar termoplast som konkurrerar med de mest populära plasterna, polyeten och polypropen.

Lagets tidning, "Kemiskt återvinningsbar termoplast från reversibel deaktiveringspolymerisation av cykliska acetaler, " publicerad 13 augusti in Vetenskap .

Medförfattarna är tidigare postdoktorale forskare Brooks Abel och Rachel Snyder, Ph.D. '21.

"Helst, den perfekta polymeren är en som har riktigt höga initiala spänningar och sedan genomgår den riktigt bra töjning, " sa Geoffrey Coates, Tisch University professor vid College of Arts and Sciences, och tidningens seniorförfattare. "De polymerer du förmodligen har hört talas om, polyeten och polypropen, de har bara fantastiska egenskaper. Många nya polymerer jämförs inte bra med dessa beprövade. Vår polymer är mitt i packningen. Det har funnits i 60 eller 70 år, men ingen har kunnat göra riktigt långa kedjor av det och få riktigt bra egenskaper."

I en oväntad vändning, upptäckten kom inte från konventionell plastforskning utan snarare från Coates Groups engagemang med Joint Center for Energy Storage Research, ett tvärvetenskapligt samarbete lanserat av det amerikanska energidepartementet för att realisera nästa generations batterier. Coates och hans team hade arbetat med att utveckla hållbara polymerer som kan användas i energilagrings- och omvandlingsmaterial när de förverkligade sin polymer—poly(1, 3-dioxolan) eller PDXL – var väl lämpad för att skapa en termoplast – ett material med egenskaper som gör att det kan smältas, återvunnet och omformat.

Forskarna byggde sin polymer från en cyklisk acetalmonomer som heter dioxolan, som syntetiseras från potentiellt bioförnybara formaldehyd- och etylenglykolråvaror. Polyacetaler är starka kandidater för att skapa återvinningsbara termoplaster eftersom de är stabila upp till 300 grader Celsius, men depolymerisera vid relativt låga temperaturer - vanligtvis under 150 grader Celsius - i närvaro av en sur katalysator. De är också billiga och kan hämtas biologiskt. Dock, polyacetaler har inte setts tidigare eftersom polymerkedjorna i allmänhet är för korta för att uppnå den mekaniska hållfasthet som är nödvändig för kommersiella tillämpningar.

"Vi ville utveckla ett nytt sätt att tillverka polyacetaler som skulle ge oss kontroll över längden på polymerkedjorna, sa Abel. Till slut, vi kunde göra polyacetaler med riktigt hög molekylvikt som var förvånansvärt duktila och starka jämfört med deras mer spröda, motsvarigheter med låg molekylvikt."

"Om du vill göra en kopp som inte spricker när du böjer den, du måste få riktigt hög molekylvikt, " sa Coates.

Genom att använda en process som kallas reversibel-deaktivering katjonisk ringöppnande polymerisation, forskarna kunde koppla samman monomererna till långa kedjor av PDXL som har hög molekylvikt och hög draghållfasthet.

Den resulterande termoplasten är stark och flexibel nog att användas för storskaliga applikationer såsom förpackningsprodukter. Teamet visade denna potential genom att skapa flera prototypobjekt, inklusive skyddspåsar, gjutna förpackningar och uppblåsbara luftkuddar av det slag som Amazon använder för att stoppa sina lådor.

"Just nu, nästan 40 % av plasten produceras för att förpacka produkter som används kort och sedan kasseras, ", sa Snyder. "PDXL har den nödvändiga styrkan för förpackning, men istället för att kasta bort det, vi kan samla in och återanvända det med en mycket effektiv kemisk återvinningsprocess. Detta gör den till en perfekt kandidat för en cirkulär polymerekonomi."

Återvinningsprocessen är så effektiv att PDXL till och med kan depolymeriseras från komplexa blandningar av plastavfall. Teamet blandade PDXL med andra råvaruplaster som polyetylentereftalat, polyeten och polystyren. Efter applicering av en återanvändbar syrakatalysator och värme, de kunde återvinna 96% av den rena dioxolanmonomeren, visar att det lätt kan isoleras från vanliga föroreningar som färgämnen och mjukgörare. Den återvunna monomeren repolymeriserades sedan till PDXL, illustrerar cirkulariteten hos polyacetal kemisk återvinning.

Detta pekar på polymerens viktigaste egenskap:dess hållbarhet.

"Det krävs mycket fossila bränslen för att tillverka dessa plaster, och koldioxidavtrycket för vanlig polyeten eller polypropen är riktigt dåligt. Så vi måste bli bättre på hur vi gör dem, " sa Coates. "Om du kan ha ett sätt att kemiskt återvinna polymeren, det kommer inte att gå i havet, höger? Och istället för att använda all denna energi för att ta upp olja ur marken och bryta upp den i små bitar och spendera all denna energi, allt vi behöver göra är att bara värma upp polymeren och bommen, vi har en monomer igen."