Eine neue Klasse recycelbarer Polymermaterialien könnte eines Tages dazu beitragen, Plastikmüll zu reduzieren

Hunderte Millionen Tonnen Jedes Jahr landen 100.000 Einwegkunststoffe auf der Mülldeponie, und selbst der geringe Anteil an Kunststoff, der recycelt wird, kann nicht ewig halten.Aber unsere Gruppe von Materialwissenschaftlern hat eine neue Methode zur Herstellung und Dekonstruktion von Polymeren entwickelt, die zu leichter recycelbaren Kunststoffen führen könnte – zu Kunststoffen, bei denen Sie am Mülltag nicht Ihr gesamtes Recycling sorgfältig sortieren müssen.

Im Laufe des Jahrhunderts seit ihrer Einführung haben die Menschen die enormen Auswirkungen – sowohl positiver als auch schädlicher Art – auf das menschliche Leben und die Umwelt verstanden.Als Gruppe von Polymerwissenschaftlern Wir widmen uns der Entwicklung nachhaltiger Lösungen für reale Probleme und haben uns vorgenommen, dieses Problem anzugehen, indem wir die Art und Weise überdenken, wie Polymere entwickelt werden, und Kunststoffe mit integrierter Recyclingfähigkeit herstellen.

Warum überhaupt Kunststoffe verwenden?

Alltagsgegenstände wie Milchkännchen, Einkaufstüten, Mitnahmebehälter und sogar Seile werden aus erstklassigem Material hergestellt Polymere, sogenannte Polyolefine.Polyolefine bestehen aus rund die Hälfte der Kunststoffe produziert und entsorgt.

Diese Polymere werden in Kunststoffen verwendet, die üblicherweise als HDPE, LLDPE oder PP bzw. mit ihren Recyclingcodes Nr. 2, Nr. 4 und Nr. 5 gekennzeichnet sind.Diese Kunststoffe sind unglaublich langlebig, weil die chemische Bindungen aus denen sie bestehen, sind äußerst stabil.Aber in einer Welt, die auf den Einwegverbrauch ausgerichtet ist, ist dies kein Designmerkmal mehr, sondern vielmehr ein Designfehler.

Stellen Sie sich vor, die Hälfte der heute verwendeten Kunststoffe wäre in doppelt so vielen Prozessen recycelbar wie heute.Damit würde die Recyclingquote zwar nicht 100 % erreichen, aber ein Sprung aus dem einstelligen Bereich – derzeit ca. 9 % – Ein zweistelliger Wert würde eine große Beeinträchtigung der produzierten Kunststoffe, der in der Umwelt angesammelten Kunststoffe und ihrer Fähigkeit zum Recycling und zur Wiederverwendung bedeuten.

Recyclingmethoden haben wir bereits

Sogar die Kunststoffe, die es in eine Recyclinganlage schaffen kann nicht wiederverwendet werden auf genau die gleiche Weise, wie sie zuvor verwendet wurden – durch den Recyclingprozess wird das Material zersetzt, sodass es an Nutzen und Wert verliert.Anstatt einen Plastikbecher herzustellen, der jedes Mal, wenn er recycelt wird, herabgestuft wird, könnten Hersteller möglicherweise Kunststoffe einmal herstellen, sie sammeln und immer wieder wiederverwenden.

Konventionelles Recycling erfordert eine sorgfältige Sortierung aller gesammelten Materialien, was bei so vielen verschiedenen Kunststoffen schwierig sein kann.Hier in den USA erfolgt die Sammlung hauptsächlich durch Single-Stream-Recycling – alles von Metalldosen, Glasflaschen, Kartons und Plastikbechern landet im selben Mülleimer.Das Trennen von Papier von Metall erfordert keine komplexe Technologie, aber das Sortieren eines Polypropylenbehälters aus einem Polyethylen-Milchkännchen ist ohne gelegentliche Fehler schwer zu bewerkstelligen.

Wenn zwei unterschiedliche Kunststoffe beim Recycling miteinander vermischt werden, werden ihre nützlichen Eigenschaften enorm eingeschränkt – bis hin zu sie unbrauchbar machen.

Angenommen, Sie können einen dieser Kunststoffe auf andere Weise recyceln, damit er nicht den Recyclingstrom verunreinigt.Als wir Proben von Polypropylen mit einem von uns hergestellten Polymer mischten, waren wir dabei immer noch in der Lage zu depolymerisieren – oder das Material abbauen – und unsere Bausteine ​​zurückgewinnen, ohne das Polypropylen chemisch anzugreifen.Dies deutete darauf hin, dass ein kontaminierter Abfallstrom immer noch seinen Wert zurückgewinnen konnte und das darin enthaltene Material entweder mechanisch oder chemisch recycelt werden konnte.

Kunststoffe, die wir brauchen – aber besser recycelbar

In eine im Oktober 2023 veröffentlichte Studie, Unser Team entwickelte eine Reihe von Polymeren mit nur zwei einfachen Bausteinen – einem weichen Polymer und einem harten Polymer – die Polyolefine imitierten, aber auch chemisch recycelt werden konnten.

Durch mehrmaliges Verbinden zweier verschiedener Polymere, bis sie ein einziges, langes Molekül bilden, entsteht ein sogenanntes a Multiblockpolymer.Indem unser Team einfach anpasste, wie viel von jedem Polymertyp in das Multiblockpolymer einfließt, schuf es eine breite Palette von Materialien mit Eigenschaften, die sich über alle Polyolefintypen erstrecken.Doch die Herstellung dieser Multiblockpolymere ist leichter gesagt als getan.

Um diese harten und weichen Polymere zu verbinden, haben wir eine Technik angepasst das bisher nur bei sehr kleinen Molekülen angewendet wurde.Diese Methode ist im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur schrittweisen Herstellung von Polymeren verbessert, die in den 1920er Jahren entwickelt wurden und bei denen die reaktiven Gruppen am Ende der Moleküle genau aufeinander abgestimmt sein müssen.

Bei unserer Methode sind die reaktiven Gruppen jetzt identisch, was bedeutet, dass wir uns nicht um die Paarung der Enden jedes Bausteins kümmern mussten, um Polymere herzustellen, die mit den bereits verwendeten Polyolefinen konkurrieren können.Mit der gleichen Strategie, umgekehrt angewendet durch Zugabe von Wasserstoff, konnten wir die Polymere wieder in ihre Bausteine ​​zerlegen und sie zur erneuten Verwendung leicht trennen.

Mit einem fast Der jährliche Plastikverbrauch verdoppelt sich Prognosen zufolge werden Komplexität und Menge des Kunststoffrecyclings bis 2050 nur noch zunehmen.Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Entwicklung neuer Materialien und Produkte.

Die Verwendung von nur zwei Bausteinen zur Herstellung von Kunststoffen mit einer enormen Vielfalt an Eigenschaften kann einen großen Beitrag dazu leisten, die Anzahl der verschiedenen Kunststoffe, die zur Herstellung der von uns benötigten Produkte verwendet werden, zu reduzieren und zu rationalisieren.Anstatt einen Kunststoff zu benötigen, um etwas biegsam zu machen, einen anderen für etwas Steifheit und einen dritten, vierten und fünften für Eigenschaften dazwischen, könnten wir das Verhalten von Kunststoffen steuern, indem wir einfach ändern, wie viel von jedem Baustein vorhanden ist.

Obwohl wir noch dabei sind, einige große Fragen zu diesen Polymeren zu beantworten, glauben wir, dass diese Arbeit ein Schritt in die richtige Richtung hin zu nachhaltigeren Kunststoffen ist.

Wir waren in der Lage, Materialien zu erstellen die die Eigenschaften von Kunststoffen nachahmen, auf die sich die Welt verlässt, und unser Ziel ist es nun, Kunststoffzusammensetzungen zu schaffen, die mit bestehenden Methoden nicht möglich wären.