Man behöver inte påminnas om att plastproduktionen och plastföroreningarna har ökat stadigt under åren – bevisen finns runt omkring oss. Tänk om vi kunde återvinna plast på ett sätt som verkligen är hållbart?
Just den frågan ställs av Reika Katsumata, biträdande professor, och Ph.D. student Autumn Mineo vid Polymer Science and Engineering (PSE) Department vid College of Natural Sciences, som experimenterar med polymeråtervinning för att identifiera ny, miljömedveten kemi och teknologier för polymerupparbetning.
Deras forskning publiceras i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .
Vi skulle alla älska att tro att, trots våra bästa ansträngningar för att undvika icke-återvinningsbara föremål, kan en och annan frigolitkopp som vi kastar i papperskorgen så småningom rekonstitueras till en helt ny kopp med liten eller ingen miljöpåverkan, men processen med återvinning är mer komplicerat än så.
Mekanisk återvinning är beroende av hårda temperaturer och bearbetningsförhållanden för att återuppfinna utvalda strömmar av post-konsumentavfall som nya produkter. Upprepad exponering för dessa förhållanden resulterar i att materialet går sönder med tiden och en motsvarande försämring av materialegenskaperna – ett resultat som ofta kallas "downcycling".
Alternativt kan vissa polymerer brytas ned kemiskt och omformas, vilket leder till förbättrad cykellivslängd och materialhållfasthet. Men kemisk återvinning är inte möjlig för många av de råvarupolymerer som används idag.
Katsumata och hennes team försökte skapa en mer hållbar process för återvinning och upparbetning av polymerer genom vad som kallas addition-fragmentation-transfer (AFT) kemi, ett område som är fokuserat på radikalbaserade bindningsutbytesreaktioner. "Vardagsplaster är stora molekyler som kallas polymerer, som består av upprepade enheter eller" monomerer "," förklarade Katsumata. "Många polymerer kan inte brytas kemiskt ned och reformeras, eftersom kol-kol enkelbindningar som håller ihop monomerer är relativt stabila."
För att ta itu med denna stabilitetsfråga utvecklade PSE-forskare en tillsats som sampolymeriserar med konventionella monomerer och genererar huvudkedjeenheter som har förmågan att utbyta genom AFT-kemi.
"Denna dynamiska koppling kan främja både polymerklyvning (eller avskärning) och polymerförlängning för att slutföra återvinning i sluten krets", säger Katsumata. "Dessutom underlättar den dynamiska karaktären hos vår tillsats andra kemiska modifieringar med potential att "uppgradera" eller öka produktvärdet, genom att ta upp råvaruplastavfall och bilda nya typer av specialiserade polymerer, såsom blocksampolymerlim."
Detta arbete identifierade en ny monomer som är kompatibel med befintliga metoder för att syntetisera polymerer, vilket skapar en dynamisk bindning mellan monomerenheter som kan utnyttjas för att bryta ner plasten efter användning. Dessa mindre fragment av polymerer, kallade oligomerer, förblir reaktiva och kan fungera som utgångspunkter från vilka nya polymerer kan växa.
Teamet fann att cykeln att bryta ner polymerer (kedjeklyvning) och återväxa dem (kedjeförlängning) kan upprepas och modifieras för att ändra omfattningen av klyvning och förlängning.
En viktig drivkraft bakom denna forskning var en iver att stimulera innovation. "Vår forskning har avancerat den grundläggande kunskapen om AFT-kemi genom att avslöja latent reaktivitet efter polymerisation," sa Katsumata. "Dessutom hoppas vi att vårt arbete har inspirerat polymerindustrin att investera i sampolymeriseringsstrategier och annan återvinningsteknik, särskilt när det gäller polyolefinprodukter."
Katsumata och PSE-teamet anser att denna forskning kan fungera som en grund för nya återvinningsmetoder och identifiering av miljövänlig kemi och tekniker – vilket ger en glimt av en framtid där plast och andra utmanande material hanteras mer hållbart.
Mer information: Autumn M. Mineo et al, A Versatile Comonomer Additive for Radical Recyclable Vinyl-derived Polymers, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316248
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av University of Massachusetts Amherst
