Новый метод производства
термореактивных пластиков позволяет легче разрушать их после использования.
Термореактивные материалы, в состав которых входят эпоксидные смолы, полиуретаны и резина, используемые для шин, используются во многих продуктах, которые должны быть прочными и термостойкими, например, в автомобилях или электрических приборах. Одним из недостатков этих материалов является то, что они обычно не могут быть легко переработаны или разрушены после использования, потому что химические связи, удерживающие их вместе, прочнее, чем в других материалах, таких как термопласты.
Химики Массачусетского технологического института разработали способ модификации термореактивных пластиков с помощью химического линкера, который значительно упрощает разрушение материалов, но при этом позволяет им сохранять механическую прочность, которая делает их такими полезными.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, исследователи показали, что они могут производить разлагаемую версию термореактивного пластика под названием pDCPD, разбивать его на порошок и использовать порошок для создания большего количества pDCPD. Они также предложили теоретическую модель, предполагающую, что их подход может быть применим к широкому спектру пластмасс и других полимеров, таких как резина.
«Эта работа раскрывает фундаментальный принцип конструкции, который, по нашему мнению, является общим для любого типа термореактивного материала с этой базовой архитектурой», - говорит Джеремия Джонсон, доцент химии Массачусетского технологического института и старший автор исследования.
Пейтон Ши, научный сотрудник Американского онкологического общества в Массачусетском технологическом институте, является первым автором статьи.
Трудно перерабатывать
Термореактивные материалы - это один из двух основных классов пластмасс, наряду с термопластами. Термопласты включают полиэтилен и полипропилен, которые используются для изготовления пластиковых пакетов и других одноразовых пластиков, таких как пищевые упаковки. Эти материалы получают путем нагревания небольших гранул пластика до их плавления, затем придания им желаемой формы и последующего охлаждения до твердого состояния.
Термопласты, которые составляют около 75 процентов мирового производства пластмасс, можно переработать, снова нагревая их до тех пор, пока они не станут жидкими, чтобы им можно было придать новую форму.
Термореактивные пластмассы производятся аналогичным способом, но после того, как они охлаждаются из жидкости в твердое тело, очень трудно вернуть их в жидкое состояние. Это потому, что связи, которые образуются между молекулами полимера, представляют собой прочные химические связи, называемые ковалентными связями, которые очень трудно разорвать. По словам Джонсона, при нагревании термореактивные пластмассы обычно горят, прежде чем их можно будет повторно формовать.
«Когда им придана определенная форма, они остаются в этой форме на всю жизнь», - говорит он. «Часто нет простого способа переработать их».
Команда Массачусетского технологического института хотела разработать способ сохранить положительные свойства термореактивных пластиков - их прочность и долговечность - и упростить их разрушение после использования.
В статье, опубликованной в прошлом году под руководством Ши, группа Джонсона сообщила о способе создания разлагаемых полимеров для доставки лекарств путем включения строительного блока или мономера, содержащего группу силилового эфира. Этот мономер беспорядочно распределен по всему материалу, и когда материал подвергается воздействию кислот, оснований или ионов, таких как фторид, силиловые эфирные связи разрываются.
Тот же тип химической реакции, который используется для синтеза этих полимеров, также используется для изготовления некоторых термореактивных пластиков, включая полидициклопентадиен (pDCPD), который используется для изготовления панелей кузова грузовиков и автобусов.
Используя ту же стратегию, что и в их статье 2019 года, исследователи добавили мономеры силилового эфира к жидким предшественникам, которые образуют pDCPD. Они обнаружили, что если мономер силилового эфира составляет от 7,5 до 10 процентов от всего материала, pDCPD сохранит свою механическую прочность, но может распадаться на растворимый порошок при воздействии фторид-ионов.
«Это была первая интересная вещь, которую мы обнаружили», - говорит Джонсон. «Мы можем сделать pDCPD разлагаемым, не повредив его полезные механические свойства».
Новые материалы
На втором этапе исследования исследователи попытались повторно использовать полученный порошок для образования нового материала pDCPD. После растворения порошка в растворе прекурсора, использованном для изготовления pDCPD, они смогли сделать новые термореактивные полимеры pDCPD из переработанного порошка.
«Этот новый материал имеет почти неотличимые и в некотором смысле улучшенные механические свойства по сравнению с исходным материалом», - говорит Джонсон. «Показывать, что вы можете взять продукты разложения и заново изготовить тот же термореактивный материал, используя тот же процесс, - это захватывающе».
Исследователи считают, что этот общий подход можно применить и к другим типам термореактивной химии. В этом исследовании они показали, что использование разлагаемых мономеров для формирования отдельных нитей полимеров намного эффективнее, чем использование разлагаемых связей для «поперечного сшивания» нитей вместе, что уже пробовали раньше. Они считают, что этот подход с использованием расщепляемых цепей можно использовать для создания многих других видов разлагаемых материалов.
«Это захватывающий шаг вперед в разработке термореактивных пластиков», - говорит Джеффри Мур, профессор химии в Университете Иллинойса, который не принимал участия в исследовании. «Химики потратили большую часть своих усилий на то, чтобы научиться синтезировать более качественные пластмассы, и гораздо меньше химических исследований было вложено в науку о деконструкции полимеров. Работа Джонсона помогает заполнить этот важный пробел в фундаментальных знаниях, обеспечивая при этом достижения технологического значения ».
Если подходящие типы разлагаемых мономеров могут быть найдены для других типов реакций полимеризации, этот подход может быть использован для создания разлагаемых версий других термореактивных материалов, таких как акриловые смолы, эпоксидные смолы, силиконы или вулканизированный каучук, говорит Джонсон.
Теперь исследователи надеются создать компанию для лицензирования и коммерциализации технологии. MIT также предоставил Millipore Sigma неисключительную лицензию на производство и продажу мономеров силилового эфира для исследовательских целей.
Патрик Кейси, консультант по новым продуктам в SP Insight и наставник Центра технологических инноваций Дешпанде Массачусетского технологического института, работал с Джонсоном и Ши над оценкой технологии, включая выполнение предварительного экономического моделирования и исследования вторичного рынка.
«Мы обсудили эту технологию с некоторыми ведущими игроками отрасли, которые сказали нам, что она обещает быть полезной для заинтересованных сторон по всей цепочке создания стоимости», - говорит Кейси. «Производители деталей получают поток недорогих переработанных материалов; производители оборудования, такие как автомобильные компании, могут достичь своих целей в области устойчивого развития; а переработчики получают новый поток доходов от термореактивных пластиков. Потребители видят экономию средств, и все мы получаем более чистую окружающую среду ».