Forskare från SIT, Japan, upptäcker att tillsats av vatten till en triaziridinförening vid milda temperaturer är tillräckligt för att producera starka och konsekventa porösa polymerer. Genom att justera reaktionstemperaturen och den initiala triaziridinkoncentrationen kan de morfologiska och mekaniska egenskaperna hos polymererna kontrolleras. Kredit:American Chemical Society.
För en polymer som består av mycket enkla repeterande enheter har polyetylenimin (PEI) ett häpnadsväckande antal praktiska tillämpningar, inklusive rengöringsmedel, lim, kosmetika, industrimedel, CO2 fångst och till och med cellulära kulturer. I allmänhet syntetiseras PEI genom ringöppningspolymerisation av etylenimin, även känd som aziridin. När den tillverkas på detta sätt blir resultatet en flytande polymer med en förgrenad struktur.
Trots sin enorma potential hålls PEI tillbaka av det faktum att etylenimin är ett mycket giftigt ämne. Eftersom denna prekursor är kommersiellt otillgänglig är det ganska svårt att genomföra experiment som syftar till att kontrollera morfologin eller tillståndet för PEI. Som en konsekvens kan vi gå miste om många nya applikationer för PEI.
För att ta itu med detta problem har en forskargrupp från Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, fokuserat på att utveckla nya PEI-baserade nätverkspolymerer. Leds av professor Naofumi Naga från Graduate School of Engineering and Science vid SIT, upptäckte detta team nyligen ett enkelt men revolutionerande sätt att producera sådana polymerer med utgångspunkt från en triaziridinförening; deras förslag – tillsätt bara lite vatten. Denna studie gjordes tillgänglig online den 12 april 2022 och publicerades därefter i volym 11 nummer 5 av ACS Macro Letters den 17 maj 2022, gjordes i samarbete med professor Tamaki Nakano från Institute for Catalysis och Graduate School of Chemical Sciences and Engineering, vid Hokkaido University, Japan, genom Joint Usage/Research Center Program (MEXT).
Även om forskarna testade två triaziridinföreningar, kunde bara en av dem konsekvent ge ett poröst polymernätverk efter att ha reagerat med vatten. Dess fullständiga kemiska namn är 2,2-bishydroximetylbutanol-tris[3-(1-aziridinyl)propionat] och det kan förkortas som "3AZ". Teamet upptäckte att upplösning av 3AZ i destillerat vatten vid temperaturer i det blygsamma intervallet 20 till 50 °C var tillräckligt för att öppna aziridingrupperna och få 3AZ-monomererna att länka till varandra. Resultatet, under de flesta temperaturer och initiala 3AZ-koncentrationer, var en porös polymerfas.
Teamet analyserade morfologin hos de porösa polymererna via svepelektronmikroskopi. Även om syntestemperaturen inte verkade spela någon roll i detta avseende, resulterade olika koncentrationer av 3AZ i olika partikelstorlekar, från 1 till 5 μm. Tvärtom påverkade syntestemperaturen några av de mekaniska egenskaperna hos de porösa polymererna, såsom deras Youngs (elasticitets)modul. Noterbart kunde alla porösa polymerer motstå kompressionstester på 50 N.
Att kunna skräddarsy de morfologiska och mekaniska egenskaperna hos PEI-baserade porösa polymerer är en stor fördel, ännu mer när allt som behövs är att justera en enkel reaktion med vatten. "Vatten är ett idealiskt lösningsmedel för kemi på grund av dess miljövänlighet, tillgänglighet och hållbarhet", säger professor Naga, "Vår artikel rapporterar en av de enklaste metoderna för att erhålla en PEI-baserad nätverkspolymer som är känd hittills." Förutom de mångsidiga egenskaperna fann teamet att deras porösa polymerer kunde absorbera olika lösningsmedel oavsett deras egenskaper, inklusive hexan, aceton, etanol, diklormetan och kloroform.
Sammantaget kommer denna studie förhoppningsvis att lyfta fram nya PEI-baserade polymerer i rampljuset. Med blicken riktad mot framtiden förväntar sig professor Naga och kollegor att hitta nya användningsområden för dessa föreningar. "Bearbetning och kemisk modifiering av 3AZ porösa polymerer kommer sannolikt att utöka deras användningsområde, och undersökningar av dessa aspekter pågår redan", avslutar han. + Utforska vidare
