Polimerden, Daha Dayanıklı ve Geri Dönüştürülebilir Termoplastikler Üretildi

Plastiği sentezlemek için küçük monomer moleküllerinin tıpkı bir kolyedeki boncuklar gibi dizilerek uzun polimer zincirleri oluşturması gerekir.

Ancak bütün plastikler, ya da polimerleri, eşit oluşturulmamıştır. Polimer ne kadar uzun ve güçlü olursa, malzeme o kadar dayanıklı olacaktır.

Cornell’den araştırmacılar ortalama bir monomer üzerinde özel bir katalizör kullanarak uzun zincirler oluşturabilen daha dayanıklı bir polimer ürettiler. Bu polimer sonrasında bir asit katalizörü ile monomer durumuna kolayca depolimerize edilebiliyor, sonucunda en popüler plastikler olan polietilen ve polipropilen ile rekabet edebilecek ve kimyasal olarak geri dönüştürülebilen bir termoplastik oluşuyor.

Ekibin “Siklik Asetallerin Tersinir Deaktivasyon Polimerizasyonundan Oluşan Kimyasal Olarak Geri Dönüştürülebilir Termoplastikler” isimli makalesi, 13 Ağustos’ta Science dergisinde yayımlandı.

Makalenin yardımcı yazarları eski doktora sonrası araştırmacısı Brooks Abel ve Dr. Rachel Snyder oldu.

Tisch Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi’nde Profesör ve makalenin kıdemli yazarı olan Geoffrey Coates, “İdeal olarak, mükemmel polimer, oldukça yüksek başlangıç gerilimlerine sahip olan ve daha sonra gerçekten iyi bir uzanıma uğrayan bir polimerdir.” diyor. “Daha önce muhtemelen duyduğunuz polimerler olan polietilen ve polipropilenin muazzam özellikleri var. Yeni polimerin çoğu, test edilip onaylanmış olanlarla pek kıyaslanamaz. Polimerimiz altmış ya da yetmiş yıldır var, ancak hiç kimse uzun zincirler oluşturup gerçekten iyi özellikler elde edemedi.”

Beklenmedik bir şekilde, bu keşif geleneksel plastik araştırmalarından değil de Coates Grup’un, ABD Enerji Bakanlığı tarafından yeni nesil piller geliştirmek üzere başlatılan disiplinler arası bir iş birliği olan Ortak Enerji Depolama Araştırma Merkezi’ne katılımı sırasında ortaya çıktı. Coates ve ekibi, polimerlerinin (poli(1,3-dioksolan) ya da PDXL), eritilmeye, geri dönüştürülmeye ve yeniden kalıplanmaya olanak sağlayan özelliklere sahip bir malzeme olan termoplastik oluşumu için oldukça uygun olduğunu fark ettiklerinde, enerji depolama ve dönüştürme malzemelerinde kullanılabilecek sürdürülebilir polimerler geliştirme üzerine çalışıyordu.

Araştırmacılar, polimerlerini biyolojik olarak yenilenebilme potansiyeline sahip formaldehit ve etilen glikol hammaddelerinden sentezlenen dioksolan adı verilen siklik bir asetal monomerden elde ettiler. Poliasetaller, geri dönüştürülebilir termoplastik üretimi için güçlü adaylardır, çünkü 300°C’nin üzerinde stabillerdir, ancak bir asit katalizörü varlığında nispeten düşük, genellikle 150°C’nin altında, sıcaklıklarda depolimerize olurlar. Ayrıca poliasetaller, ucuzdurlar ve biyolojik olarak elde edilebilirler. Ancak, polimer zincirleri ticari uygulamalar için gerekli olan mekanik mukavemeti elde etmek için genelde çok kısa olduğundan poliasetaller daha önce kullanılmamışlardır.

Abel, “Bize polimer zincirlerinin uzunluğunu kontrol edebilmemizi sağlayacak poliasetaller üretmek için yeni bir yol geliştirmek istedik.” diyor. “Sonunda, daha kırılgan ve düşük moleküler ağırlıklı benzerlerine kıyasla şaşırtıcı biçimde esnek ve güçlü olan oldukça yüksek moleküler ağırlıklı poliasetaller üretmeyi başardık.”

Coates, “Büktüğünüzde çatlamayacak bir fincan üretmek istiyorsanız, oldukça yüksek moleküler ağırlıklar elde etmeniz gerekir.” diyor.

Araştırmacılar, tersinir-deaktivasyon katyonik halka açma polimerizasyonu isimli bir prosesle monomerleri yüksek moleküler ağırlığa ve yüksek çekme direncine sahip uzun PDXL zincirlerine bağlamayı başardılar.

Sonuçta üretilen termoplastik, paketleme ürünleri gibi geniş çaplı uygulamalar için kullanılabilecek kadar güçlü ve esnek oldu. Ekip, Amazon’un da kutularını doldurmak için kullandığı tipte koruyucu torbalar, kalıp halindeki ambalajlar ve şişme hava yastıkları dahil olmak üzere birkaç prototip ürün üreterek, termoplastiğin potansiyelini göstermiş oldu.

Snyder, “Şu anda plastiğin yaklaşık %40’ı kısa bir süre için kullanılan ve atılan ambalaj ürünleri için üretiliyor.” diyor. “PDXL, paketleme için gerekli dayanıklılığa sahip, ancak onu atmak yerine, toplayabilir ve çok verimli bir kimyasal geri dönüşüm prosesi ile yeniden kullanabiliriz. Bu durum, onu döngüsel polimer ekonomisi için mükemmel bir aday yapıyor.”

Geri dönüşüm prosesi o kadar verimli oluyor ki, PDXL karmaşık plastik atık karışımlarından bile depolimerize edilebiliyor. Ekip, önce PDXL’i polietilen tereftalat, polietilen ve polistiren gibi diğer ticari plastiklerle karıştırdı. Yeniden kullanılabilir bir asit katalizörü ve ısı uyguladıktan sonra, saf dioksolan monomerinin %96’sını geri kazanmayı başardılar ve bunun boyalar ve plastikleştiriciler gibi yaygın kontaminantlardan kolayca izole edilebileceğini gösterdiler. Geri kazanılan monomer daha sonra poliasetal kimyasal geri dönüşümün daireselliğini gösteren PDXL’ye yeniden polimerleştirildi.

Bu da polimerin en önemli özelliği olan sürdürülebilirliğine işaret ediyor.

Coates, “Bu plastikleri üretmek için çok fazla fosil yakıt gerekiyor ve yaygın polietilen veya polipropilenin karbon ayak izi oldukça kötü. Bu nedenle onları nasıl ürettiğimiz konusunda iyileşmemiz gerekiyor.” diyor. “Polimeri kimyasal olarak geri dönüştürmenin bir yolunu bulabilirsek okyanusa gitmeyecek. Ve tüm bu enerjiyi petrolü yerden çıkarmak, onu küçük parçalara ayırmak ve tüm bu enerjiyi harcamak için kullanmak yerine, tek yapmamız gereken polimeri ısıtmak ve bum, tekrar bir monomerimiz oldu.”

Kaynak: phys.org