Kimyagerler Sert Plastikleri Geri Dönüştürülebilir Hale Getiriyor

Fotoğraf: Araba parçalarında ve elektrikli cihazlarda bulunan termoset polimerlerin dayanıklı ve ısıya dirençli olması gerekir, ancak tipik olarak kullanımdan sonra kolayca geri dönüştürülemiyor ve parçalanamıyor. MIT kimyagerleri, termoset polimerleri modifiye etmek için mekanik dayanıklılıklarından ödün vermeden daha kolay parçalanmalarını sağlayan yeni bir yol geliştirdiler.

Epoksiler, poliüretanlar ve lastikler için kullanılan kauçuğu içeren termosetler, arabalar veya elektrikli aletler gibi ısıya ve darbeye karşı dayanıklı olması gereken birçok üründe bulunur. Bu malzemelerin bir dezavantajı, kullanımdan sonra tipik olarak kolayca geri dönüştürülememeleri ve parçalanamamalarıdır, çünkü onları bir arada tutan kimyasal bağlar termoplastik gibi diğer malzemelerde bulunanlardan daha güçlüdür.

MIT kimyagerleri, termoset plastikleri, malzemelerin parçalanmasını daha kolay hale getiren ancak yine de onları bu kadar kullanışlı kılan mekanik mukavemeti korumalarına izin veren kimyasal bir bağlayıcıyla modifiye etmenin bir yolunu geliştirdi.

Nature’da bugün yayınlanan bir çalışmada araştırmacılar, pDCPD adı verilen bir termoset plastiğin parçalanabilir bir versiyonunu üretebileceklerini, onu toza ayırabileceklerini ve daha fazla pDCPD oluşturmak için tozu kullanabileceklerini gösterdiler. Ayrıca, yaklaşımlarının çok çeşitli plastiklere ve kauçuk gibi diğer polimerlere uygulanabileceğini öneren teorik bir model önerdiler.

MIT’de kimya profesörü olarak görev yapan ve çalışmanın kıdemli yazarı olan Jeremiah Johnson, “Bu çalışma, bu temel mimari ile her tür termoset için genel olduğuna inandığımız temel bir tasarım ilkesini ortaya koyuyor” diyor.

MIT Amerika Kanser Topluluğu’nda Doktora Sonrası Araştırmacı olan Peyton Shieh, makalenin ilk yazarıdır.

Geri Dönüşümü Zor

Termosetler, termoplastikleri içeren iki ana plastik sınıfından biridir. Termoplastikler, plastik torba ve gıda ambalajları gibi diğer tek kullanımlık plastikler için kullanılan polietilen ve polipropileni içerir. Bu malzemeler, küçük plastik peletlerinin eriyene kadar ısıtılması, ardından istenen şekle getirilmesi ve tekrar katı hale getirilmeleri ile oluşur.

Dünya çapındaki plastik üretiminin yaklaşık yüzde 75’ini oluşturan termoplastikler, eriyik hale gelinceye kadar tekrar ısıtılarak geri dönüştürülebilir, böylece yeni bir şekle dönüştürülebilirler.

Termoset plastikler benzer bir işlemle yapılır, ancak bir sıvıdan bir katıya soğutulduklarında, onları sıvı hale geri döndürmek çok zordur. Bunun nedeni, polimer molekülleri arasında oluşan bağların, kırılması çok zor olan, kovalent bağ adı verilen güçlü kimyasal bağlar olmasıdır. Johnson, ısıtıldığında, termoset plastiklerin tipik olarak yeniden kalıplanmadan önce yanacağını söylüyor.

Johnson termoset plastikler için, “Belirli bir şekle girdiklerinde, ömürleri boyunca bu şekildeler” diyor. “Genellikle onları geri dönüştürmenin kolay bir yolu yoktur.”

MIT ekibi, termoset plastiklerin olumlu özelliklerini (dayanıklılıkları ve sağlamlıkları) korumanın bir yolunu geliştirirken, kullanımdan sonra parçalanmalarını da kolaylaştırmak istedi.

Geçen yıl Shieh’in baş yazar olduğu bir makalede Johnson’ın grubu, bir silil eter grubu içeren bir monomer veya yapı taşı ekleyerek ilaç salım sistemi için bozunabilir polimerler oluşturmanın bir yolunu bildirdi. Bu monomer malzeme boyunca rastgele dağılır ve malzeme asitlere, bazlara veya florür gibi iyonlara maruz kaldığında silil eter bağları kopar.

Bu polimerleri sentezlemek için kullanılan aynı tip kimyasal reaksiyon, kamyonlarda ve otobüslerde gövde panelleri için kullanılan polidisiklopentadien (pDCPD) dahil olmak üzere bazı termoset plastikleri yapmak için de kullanılır.

Araştırmacılar, 2019 makalelerinden aynı stratejiyi kullanarak, pDCPD’yi oluşturan sıvı öncüllere silil eter monomerleri eklediler. Silil eter monomerinin toplam malzemenin yüzde 7.5 ile 10’unu oluşturması durumunda, pDCPD’nin mekanik mukavemetini koruyacağını, ancak florür iyonlarına maruz kaldığında çözünür bir toza parçalanabileceğini buldular.

Johnson, “Bulduğumuz ilk heyecan verici şey buydu” diyor. “PDCPD’yi, kullanışlı mekanik özelliklerine zarar vermeden bozunur hale getirebiliriz.”

Yeni Malzemeler

Araştırmanın ikinci aşamasında, araştırmacılar ortaya çıkan tozu yeni bir pDCPD materyali oluşturmak için yeniden kullanmaya çalıştılar. Tozu, pDCPD yapmak için kullanılan öncül çözeltide çözdükten sonra, geri dönüştürülmüş tozdan yeni pDCPD termosetler yapabildiler.

Johnson, “Bu yeni malzeme, orijinal malzemeye kıyasla neredeyse ayırt edilemez ve bazı yönlerden geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip” diyor. “Bozunma ürünlerini alıp aynı işlemi kullanarak aynı termoseti yeniden yapabileceğinizi göstermek heyecan verici.”

Araştırmacılar, bu genel yaklaşımın diğer termoset kimyası türlerine de uygulanabileceğine inanıyor. Bu çalışmada, polimerlerin tek tek ipliklerini oluşturmak için parçalanabilir monomerlerin kullanılmasının, daha önce denenmiş olan şeritleri birbirine “çapraz bağlamak” için parçalanabilir bağlar kullanmaktan çok daha etkili olduğunu gösterdiler. Bu parçalanabilir iplik yaklaşımının birçok başka türde bozunabilir malzeme üretmek için kullanılabileceğine inanıyorlar.

Illinois Üniversitesi’nde kimya profesörü olan ve çalışmaya dahil olmayan Jeffrey Moore, “Bu, mühendislik termoset plastiklerinde heyecan verici bir ilerleme” diyor. “Kimyagerler çabalarının çoğunu daha iyi plastikleri sentezlemeyi öğrenmek için harcadılar bu nedenle polimer yapıbozum bilimiyle ilgili çok daha az kimya araştırması yapıldı. Johnson’ın çalışması, teknolojik öneme sahip ilerlemeler sağlarken temel bilgilerdeki bu önemli boşluğu doldurmaya da yardımcı oluyor.”

Johnson, diğer polimerizasyon reaksiyonları türleri için doğru türde bozunabilir monomerler bulunabilirse, bu yaklaşımın akrilikler, epoksiler, silikonlar veya vulkanize kauçuk gibi diğer ısıyla sertleşen malzemelerin de parçalanabilir versiyonlarını yapmak için kullanılabileceğini söylüyor.

Araştırmacılar şimdi teknolojiyi lisanslamak ve ticarileştirmek için bir şirket kurmayı umuyorlar.

SP Insight’ta yeni bir ürün danışmanı ve MIT’nin Deshpande Teknolojik Yenilik Merkezi’nde akıl hocası olan Patrick Casey, bazı ön ekonomik modelleme ve ikincil pazar araştırması yapmak da dahil olmak üzere teknolojiyi değerlendirmek için Johnson ve Shieh ile birlikte çalışıyor.

Casey, “Bu teknolojiyi, tedarik zinciri boyunca paydaşlar için iyi olacağını vaat eden bazı önde gelen sektör oyuncularıyla tartıştık” dedi. “Parça imalatçıları, düşük maliyetli geri dönüştürülmüş malzeme akışı elde ediyor; otomotiv şirketleri gibi ekipman üreticileri sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşabilirler ve geri dönüşüm yapanlar termoset plastiklerden yeni bir gelir akışı elde ediyor. Tüketiciler bunu bir maliyet tasarrufu görüyor ve hepimiz daha temiz bir çevre elde ediyoruz. “

Kaynakça: news.mit.edu