Kemisk återvinning av allmänt använda vinylpolymerer (VP) är en av nyckelteknologierna som krävs för att förverkliga ett hållbart samhälle. I detta avseende har ett team av forskare från Shinshu University nyligen rapporterat om en ny kemisk process som underlättar depolymeriseringen av cykliska styrenbaserade VP:er, vilket resulterar i återvinning av en monomerprekursor.

Detta mycket effektiva kemiska återvinningssystem kan hjälpa till med effektiv resurscirkulation och utveckling av ny plaståtervinningsteknik.

Vinylpolymerer (VP) är ett av de mest använda plastmaterialen. De finns överallt, från poly(vinylklorid) rör och operationshandskar till engångsskivor av polystyren. Med tanke på det globala kravet på en utveckling mot hållbarhet, skulle det inte vara bra att kemiskt återvinna denna mycket använda polymer för att förverkliga ett hållbart samhälle?

Nyligen genomförde ett team av forskare under ledning av docent Yasuhiro Kohsaka från fakulteten för textilvetenskap och teknik (FTST) och Research Initiative for Supra-Materials (RISM), båda vid Shinshu University, en studie för att hitta en väg ut för att uppnå detta .

I deras senaste genombrott publicerade online i ACS Macro Letters och medförfattare av Yota Chiba från FTST vid Shinshu University, presenterade teamet en ny strategi för att effektivt depolymerisera VP:erna för cykliska styrenderivat för att hämta en monomerprekursor.

Traditionellt har kemisk återvinning av VP:er alltid varit utmanande. Det konventionella tillvägagångssättet för att återvinna vilken polymer som helst är att vända på polymerisationsprocessen, vilket innebär att en enda stor molekyl som består av upprepade monomera enheter bryts ner till dess modermonomerkomponenter.

Det är svårt att depolymerisera VP:er eftersom de kovalenta kol-kolbindningarna som håller ihop monomerenheterna är mycket stabila och därför svåra att bryta. Studier har föreslagit sätt att bryta kol-kol-ryggraden i VP, men de flesta av dem misslyckas med att säkerställa kvantitativ och selektiv splittring (bindningsbrytning) av dess huvudkedja, vilket är avgörande för en effektiv återvinning av monomerer.

"Polymerer som är stabila har dålig återvinningsbarhet, och de som är lätta att återvinna är instabila i naturen", säger Dr. Kohsaka. "Vi övervann denna kompromiss genom att avstå från konventionella strategier som försöker vända polymerisationsreaktionen för att återvinna monomerer och utveckla en tvåstegs återvinningsprocess. I det första steget uppnåddes nedbrytning av polymeren till en monomer prekursor, vilket följdes av återvinningen av monomeren genom kemisk modifiering."

Teamet valde VPs gjorda av cykliska α-substituerade styrenderivat, såsom 3-metylenftalid, som sin molekyl för att testa kemisk återvinningsbarhet och undersöka ringöppningsreaktionen hos de hängande grupperna i närvaro av en bas som natriumhydroxid. De fann att öppningen av ringarna på grund av förtvålning ökade det steriska hindret runt de hängande grupperna, vilket ledde till huvudkedjeklyvning och depolymerisation av VP till monomerprekursorer.

Dessa återvunna prekursorer omvandlades sedan till monomerer via enstegsklorering och spontan intramolekylär förestring. Forskarna upptäckte vidare att samma cykliska monomerstruktur som underlättade depolymerisation också var ansvarig för att främja polymerisation på grund av minskat steriskt hinder runt vinylidengruppen. Dessa fynd fick forskarna att dra slutsatsen att cykliska α-substituerade styrenderivat potentiellt kan återvinna kemikalier.

På en bredare nivå har denna studie öppnat nya vägar för resurscirkulation, en av grundpelarna i ett hållbart samhälle, genom att tillhandahålla en enkel metod för polymerisation och depolymerisering av allestädes närvarande VP. Forskarna tror att deras resultat kan ge nyttigt foder för vidare forskning om inte bara depolymerisering av plastmaterial utan också utveckling av ny återvinningsbar plast.

"Syftet med vår forskning var att hjälpa uppdraget att utveckla effektiv plaståtervinningsteknik, vilket är ett verktyg som mänskligheten desperat behöver mot bakgrund av miljöföroreningar orsakade av plast. Även om vi inte kan ta bort all plast som redan finns på denna planet, vi kan åtminstone utnyttja plastresurserna på bästa sätt med vår nya strategi för kemikalieåtervinning", avslutar Dr. Kohsaka.

Mer information: Yota Chiba et al, Kemiskt återvinningsbara vinylpolymerer genom fri radikal polymerisering av cykliska styrenderivat, ACS-makrobokstäver (2023). DOI:10.1021/acsmacrolett.3c00573

Journalinformation: ACS-makrobokstäver

Tillhandahålls av Shinshu University