Ett team av ETH-forskare under ledning av Athina Anastasaki har lyckats bryta ner plast till dess molekylära byggstenar och återvinna över 90 % av dem. Ett första steg mot äkta plaståtervinning.
Den kemiska industrin har en lång tradition av att tillverka polymerer. Detta innebär att små molekylära byggstenar omvandlas till långa kedjor av molekyler som binder samman. Polymerer är grunden för alla typer av vardagsplaster, som PET och polyuretan.

Men även om bildningen av polymerer är väl etablerad och väl undersökt, har forskare ägnat liten uppmärksamhet åt hur polymerkedjor bryts ner (en process som kallas depolymerisation) för att återvinna sina individuella byggstenar - monomerer. En anledning till detta är att nedbrytning av polymerer är en komplex process. Huruvida en polymer överhuvudtaget kan brytas ner till dess beståndsdelar beror på vilken av de olika polymertillverkningsprocesserna som användes. En annan anledning är att de depolymerisationsprocesser som hittills använts kräver mycket energi, vilket har gjort dem ekonomiskt olönsamma. Till detta kommer det faktum att återvunna polymerer vanligtvis endast används vid tillverkning av lågvärdiga produkter.

Att bryta ner polymerer är målet

Athina Anastasaki, professor i polymera material vid ETH Zürich, vill ändra på detta. Hon har satt upp som mål att producera polymerer som lätt kan brytas ner till sina byggstenar så att de kan återvinnas helt.

Materialforskaren har kunnat ta ett första viktigt steg i denna riktning:En studie av hennes grupp har just publicerats i Journal of the American Chemical Society . I den visar Anastasaki och hennes kollegor att de kan bryta ner vissa polymerer till sina grundläggande byggstenar – monomerer – och återvinna dem för användning i material för ytterligare tillämpningar.

De nedbrutna polymererna är polymetakrylater (t.ex. plexiglas) som framställdes med en specifik polymerisationsteknik som kallas reversibel additionsfragmenteringskedjeöverföringspolymerisation – även känd som RAFT. Denna relativt nya metod, som nu också väcker intresse från industrin, ger polymerkedjor av enhetlig längd.

Första framgången

Forskarna vid ETH Zürich har lyckats återvinna upp till 92 % av byggstenarna i polymetakrylater utan att tillsätta en katalysator som skulle möjliggöra eller påskynda reaktionen. "Vår metod kan tänkas utvecklas ytterligare för att involvera användningen av en katalysator. Detta kan öka mängden som återvinns ännu mer", säger Anastasaki.

Den kemiska gruppen som finns i slutet av en polymerkedja är avgörande för polymerens nedbrytning. Genom att värma polymerlösningsmedelsblandningen till 120°C skapade forskarna vad som kallas "radikaler" i slutet av en polymetakrylatkedja, vilket utlöste depolymerisationen. Forskare vid Australian National University i Canberra kunde bekräfta resultaten matematiskt.

Producera samma eller en annan produkt

Enligt Anastasaki kan byggstenarna som återvinns på detta sätt användas för att producera samma polymer eller en helt annan produkt — en olöslig hydrogel som också kan brytas ner till sina monomerer. De nyskapade produkterna är av liknande kvalitet som de ursprungliga. Detta till skillnad från tidigare produkter tillverkade av återvunna polymerer.

Men det finns en hake:"Produkter tillverkade med RAFT-polymerisation är dyrare än konventionella polymerer", säger Anastasaki. För att komma till rätta med denna nackdel arbetar hon och hennes grupp redan med att utöka metoden för storskaliga applikationer, vilket kommer att göra den mer konkurrenskraftig och de resulterande produkterna billigare. Forskarna siktar också på att öka mängden som hämtas och återvinna alla byggstenar i en polymer.

Materialvetaren forskar också på om andra polymerer kan depolymeriseras. Hon är särskilt intresserad av polystyren, en utbredd, billig plast som används i många områden i vardagen (Styrofoam).

Metoden löser inte plastproblemet på kort sikt

Även om denna nya metod väcker förhoppningar om att lösa mänsklighetens plastavfallsproblem, avfärdar Anastasaki idén tills vidare. Det finns ingen snabb lösning på problemet. Hon fortsätter med att säga. "Det kommer att ta mycket tid och forskning innan processen är etablerad i den kemiska industrin." Det kommer inte heller att bli av med plastavfall:dagens polymerer kan inte brytas ner på detta sätt. Vissa nya lämpliga polymerer måste komma i cirkulation innan deras byggstenar kan återvinnas. Men metoden har en fördel:inga nya kemiska anläggningar behövs för införande och användning.

"Vi är bara i början av vår forskning om depolymerisation. Det finns över 30 000 studier om att utveckla nya polymerisationsstrategier, med endast en handfull av dem som tar upp ämnet monomeråtervinning", säger Anastasaki. + Utforska vidare

Självbildande, lösningsmedelsfri supramolekylär polymersyntes