Forskare har designat ett nytt materialsystem för att övervinna en av de största utmaningarna vid återvinning av konsumentprodukter:återvinning av blandad plast. Deras prestation kommer att bidra till att möjliggöra ett mycket bredare utbud av helt återvinningsbara plastprodukter och kommer att nå en effektiv cirkulär ekonomi för varaktiga varor som bilar.

Vi genererar svindlande mängder plast och plasthaltiga produkter varje år, men bara en liten bråkdel av den plasten kan återvinnas och användas för att tillverka produkter av liknande kvalitet. Det beror på att de flesta produkter, från matförpackningsfilmer och engångspåsar till sneakers och elektronik, är gjorda av blandningar av olika plaster, och när de väl har blandats kan den plasten inte återvinnas och användas för att göra nya väskor eller sneakers. Istället hamnar det mesta på deponier, förbränningsugnar eller hav.

Ett team av forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tar sig an utmaningen med blandad plast med hjälp av ett specialdesignat material som kallas polydiketoenamine (PDK), en ny typ av plast som de utvecklat för att återvinnas effektivt och på obestämd tid, vilket ger en låg- koltillverkningslösning för plastprodukter som aldrig behöver hamna på en soptipp.

I en ny studie som visas i Science Advances , visade teamet att de kan skapa skräddarsydda PDK:er speciellt skräddarsydda för blandad plaståtervinning och att de helt kan återvinna den ingående plasten från en blandad produkt som består av flera PDK:er och andra vanliga tillverkningsmaterial. Brett Helms, från Berkeley Labs Molecular Foundry, ledde det multidisciplinära teamet, som bland annat inkluderade forskare från Joint BioEnergy Institute (JBEI) och Berkeley Labs Advanced Light Source. Arbetet är en stor validering av ett lovande material och fördjupar vår kunskap om polymerkemi.

"Vi vet nu hur man skräddarsyr PDK-plaster för att kunna återvinna komplexa produkter som består av flera typer av material", säger Helms. "Ett exempel kan vara en sko, där en textil är bunden till ett gummi med ett lim. Konventionella material som används i sådana produkter kan inte återvinnas för återanvändning, eftersom de inte kan dekonstrueras självständigt. Men om de var gjorda av olika, specialdesignade PDK-polymerer, då kan de vara det för första gången."

Skapa ett designermaterial

PDK och andra plaster är kända som polymerer, material där de ingående molekylerna är långa kedjor av små upprepade enheter som kallas monomerer. För detta arbete började forskarna med att göra en mängd olika PDK med lite olika kemiska strukturer och visade att var och en kunde "depolymeriseras" eller brytas ner till sina respektive monomerer med höga utbyten av återvinning. Detta är i huvudsak processen för plaståtervinning, eftersom de återvunna monomererna sedan kan användas för att skapa en ny sats av PDK.

Teamet fann att varje PDK depolymeriserades vid en annan temperatur och hastighet. För att bättre förstå dessa egenskaper använde de teoretiska beräkningar och beräkningsmodeller (densitetsfunktionsteori) för att simulera de olika polymererna och utforska hur de bildas och depolymeriseras. Med hjälp av dessa teoretiska insikter identifierade teamet de bästa PDK-molekylerna för jobbet och optimerade ytterligare deras design.

"En särskilt trevlig aspekt av detta arbete var den täta integrationen mellan experimenten och beräkningarna", säger Molecular Foundry Director Kristin Persson, som ledde det teoretiska arbetet. "Genom att avslöja mekanismen som underbygger cirkularitet kunde vi designa nya polymerer som bibehåller återvinningsbarhet. Vi är glada över att dessa designinsikter kommer att informera framtida arbete."

"Det är genom dessa interaktioner mellan teori och experiment som vi bygger kunskapen och ramverket för att fastställa designreglerna som styr polymerreaktivitet," sa Helms. "Vi skulle bara ha observationer annars, snarare än en förklaring."

Blandad plast? Inga problem

Med hjälp av dessa optimerade molekyler visade forskarna framgången med deras materialsystem genom att skapa blandade plaster, var och en gjord av två olika PDK, och sedan helt depolymerisera och återvinna de ingående materialen. De upprepade demonstrationen med PDK:er av olika färger, för att ta itu med en speciell industriutmaning, och visade att de med en något mer komplex process återigen kunde återvinna PDK-monomererna med högt utbyte.

Teamet visade också hur PDK kan användas för att göra återvinningsbara, flexibla plastförpackningar av konventionell plast. De bildade en flerskiktsfilm av vanliga plaster - polypropen (PP) och polyetentereftalat (PET) - med hjälp av ett "bindeskikt" av PDK för att binda ihop dem. Normalt kunde PP och PET inte extraheras från ett flerskiktsmaterial, men här utnyttjade forskarna sin kontroll över PDK-skiktet för att separera och återställa PP- och PET-filmerna också.

I en sista demonstration av deras kraftfulla tillvägagångssätt, konstruerade forskarna ett objekt från en blandning av olika PDK tillsammans med glas och rostfritt stål, för att simulera utmaningarna med bilåtervinning, och gick igenom återvinningsprocessen igen, vilket visade högavkastande återvinning av PDK-monomerer samt glas och metall. Dessa resultat kan leda till en meningsfull förändring i hur vi närmar oss tillverkning av varaktiga varor, vilket möjliggör en cirkulär ekonomi där produkter är designade för att kunna återvinnas och återanvändas helt.

"Komplexa konsumentprodukter återvinns helt enkelt inte idag, de förbränns, deponeras eller nedåtervinns," sa Helms. "Här har vi lagt grunden för hur man kan återvinna sådana produkter tillbaka till sina ursprungliga monomerbyggstenar, i steg för att underlätta återvinningen av material bundna till dem för återanvändning, inklusive värdefulla metaller eller glas. På detta sätt ger PDK-material mer cirkuläritet till tillverkning med i sig låg kolintensitet." + Utforska vidare

Bryta ner plast i dess beståndsdelar