Forskare vid University of Tokyo har utvecklat en innovativ plast som är starkare och stretchigare än den nuvarande standardtypen. Plasten är också delvis biologiskt nedbrytbar, kommer ihåg sin form och kan läkas med värme. Forskarna skapade den genom att lägga till molekylen polyrotaxan till en epoxihartsvitrimer, en typ av plast.
Namnet VPR, materialet kan hålla sin form och har starka inre kemiska bindningar vid låga temperaturer. Men vid temperaturer över 150° Celsius rekombineras dessa bindningar och materialet kan omvandlas till olika former.
Genom att applicera värme och ett lösningsmedel bryter VPR ner till sina råkomponenter. Att sänka det i havsvatten i 30 dagar resulterade också i 25 % biologisk nedbrytning, där polyrotaxanen bröts ner till en matkälla för marint liv. Det här nya materialet kan ha omfattande tillämpningar för en mer cirkulär ekonomi för att återcirkulera resurser och minska avfall, från ingenjörskonst och tillverkning, till medicin och hållbart mode.
Studien, "Environment-friendly sustainable thermohärd vitrimer-containing polyrotaxane" publiceras i tidskriften ACS Materials Letters .
Trots globala kampanjer för att stävja plastanvändning och avfall är det svårt att undvika det allestädes närvarande materialet. Från leksaker och kläder, hemutrustning och elektronik, till fordon och infrastruktur, nuförtiden kan det verka som om det finns i nästan allt vi använder. Även om det är användbart, finns det många problem förknippade med plastens livscykel och kassering.
Att utveckla alternativ som håller längre, kan återanvändas och återvinnas lättare, eller som är gjorda från miljövänliga källor, är nyckeln till att lösa dessa problem och förverkliga flera av FN:s hållbara utvecklingsmål.
Med detta i åtanke har forskare vid University of Tokyo skapat en mer hållbar plast, baserad på ett epoxihartsglas. Vitrimerer är en relativt ny klass av plaster, som är solida och starka vid lägre temperaturer (som härdplast, används för att tillverka värmebeständig servis), men som också kan omformas flera gånger vid högre temperaturer (som termoplaster, används för plastflaskor). ). Men de är vanligtvis spröda och kan inte sträckas långt innan de går sönder.
Genom att lägga till en molekyl som heter polyrotaxan kunde teamet skapa en dramatiskt förbättrad version som de kallade VPR (vitrimer inkorporerad med polyrotaxan [PR]).
"VPR är över fem gånger så motståndskraftig mot brott som en typisk epoxihartsvitrimer", säger projektassistent Shota Ando från Graduate School of Frontier Sciences. "Den reparerar sig också 15 gånger så snabbt, kan återställa sin ursprungliga memorerade form dubbelt så snabbt och kan återvinnas kemiskt 10 gånger så snabbt som den typiska vitrimeren. Den bryts till och med ned biologiskt säkert i en marin miljö, vilket är nytt för detta material. "
Polyrotaxan har vunnit intresse inom vetenskap och industri för sin förmåga att förbättra segheten hos olika material. I den här studien innebar den förbättrade segheten hos VPR att mer komplexa former kunde skapas och behållas även vid låga temperaturer (som origamikranen i videon som medföljer den här utgåvan).
Avfallshantering eller återvinning var också lättare än för vitrimerer utan polyrotaxan, förklarade Ando.
"Även om detta harts är olösligt i olika lösningsmedel vid rumstemperatur kan det lätt brytas ner till råvarunivå när det sänks ned i ett specifikt lösningsmedel och värms upp. Det visade också 25 % biologisk nedbrytning efter exponering för havsvatten i 30 dagar. Som jämförelse, Vitrimer utan PR genomgick ingen uppenbar biologisk nedbrytning. Dessa egenskaper gör det till ett idealiskt material i dagens samhälle, som kräver resursåtervinning, säger Ando.
Från teknik till mode, robotteknik till medicin, teamet förutser både praktiska och lekfulla tillämpningar för VPR.
"Bara för att ge några exempel är infrastrukturmaterial för vägar och broar ofta sammansatta av epoxihartser blandade med föreningar som betong och kol. Genom att använda VPR skulle dessa vara lättare att underhålla eftersom de skulle vara starkare och läkbara med hjälp av värme", föreslog de Ando.
"Till skillnad från konventionella epoxihartser är det här nya materialet hårt men töjbart, så det kan också förväntas binda material med olika hårdhet och töjning starkt, till exempel som behövs för fordonstillverkning. Dessutom, eftersom det har formminne, formredigering och form återhämtningsförmåga, kanske du också en dag kan ordna om silhuetten av dina favoritkläder hemma med en hårtork eller ångstrykjärn."
Teamets nästa steg blir att arbeta med företag för att fastställa genomförbarheten av dess olika idéer för VPR, samt att fortsätta sin forskning i labbet. "Jag har alltid trott att befintlig plast är mycket svår att återvinna och kassera eftersom de är uppdelade efter deras användningsområden," sa Ando. "Det skulle vara idealiskt om vi kunde lösa många av världens problem med ett enda material som detta."
Mer information: Shota Ando et al, Environmentally Friendly Sustainable Thermoset Vitrimer-Containing Polyrotaxane, ACS Materials Letters (2023). DOI:10.1021/acsmaterialslett.3c00895
Tillhandahålls av University of Tokyo
