Tecnologia Científica

Polímero permite termoplásticos recicláveis ​​mais resistentes
Os pesquisadores da Cornell pegaram um monômero mediano e, usando um catalisador especial, criaram um polímero mais resistente que pode formar longas cadeias.
Por David Nutt - 14/08/2021


Domínio público

Para sintetizar o plástico, pequenas moléculas de monômero precisam ser unidas como contas em um colar, criando longas cadeias de polímero.

No entanto, nem todos os plásticos - ou seus polímeros - são criados iguais. Quanto mais longo e forte for o polímero , mais durável será o material.

Os pesquisadores da Cornell pegaram um monômero mediano e, usando um catalisador especial, criaram um polímero mais resistente que pode formar longas cadeias. O polímero pode então ser facilmente despolimerizado de volta ao estado de monômero com um catalisador ácido, resultando em um termoplástico quimicamente reciclável que compete com os plásticos mais populares, polietileno e polipropileno.

O artigo da equipe, "Termoplásticos quimicamente recicláveis ​​da polimerização de desativação reversível de acetais cíclicos", publicado em 13 de agosto na Science .

Os coautores principais são o ex-pesquisador de pós-doutorado Brooks Abel e Rachel Snyder, Ph.D. '21.

"Idealmente, o polímero perfeito é aquele que tem tensões iniciais realmente altas e então sofre um alongamento muito bom", disse Geoffrey Coates, professor da Faculdade de Artes e Ciências da Tisch University e autor sênior do artigo. "Os polímeros dos quais você provavelmente já ouviu falar, polietileno e polipropileno, eles simplesmente têm ótimas propriedades. Muitos dos novos polímeros não se comparam bem com esses já testados e comprovados. Nosso polímero está bem no meio do pacote. Ele existe há 60 ou 70 anos, mas ninguém foi capaz de fazer cadeias realmente longas e obter propriedades realmente boas. "

Em uma reviravolta inesperada, a descoberta não emergiu da pesquisa de plásticos convencionais, mas sim do envolvimento do Grupo Coates com o Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia, uma colaboração interdisciplinar lançada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos para produzir baterias de próxima geração. Coates e sua equipe têm trabalhado para desenvolver polímeros sustentáveis ​​que podem ser usados ​​no armazenamento de energia e materiais de conversão quando perceberam que seu polímero - poli (1,3-dioxolano) ou PDXL - era adequado para a criação de um termoplástico - um material com propriedades que permitem que seja fundido, reciclado e remodelado.

Os pesquisadores construíram seu polímero a partir de um monômero de acetal cíclico denominado dioxolano, que é sintetizado a partir de fontes de formaldeído e etilenoglicol potencialmente biorrenováveis. Os poliacetais são fortes candidatos para a criação de termoplásticos recicláveis ​​porque são estáveis ​​acima de 300 graus Celsius, mas despolimerizam em temperaturas relativamente baixas - geralmente abaixo de 150 graus Celsius - na presença de um catalisador ácido. Eles também são baratos e podem ser de origem biológica. No entanto, os poliacetais não foram usados ​​antes porque as cadeias de polímero são geralmente muito curtas para atingir a resistência mecânica necessária para aplicações comerciais.
 
"Queríamos desenvolver uma nova maneira de fazer poliacetais que nos desse controle sobre o comprimento das cadeias de polímero", disse Abel. "No final das contas, fomos capazes de fazer poliacetais de peso molecular realmente alto que eram surpreendentemente dúcteis e fortes em comparação com suas contrapartes mais frágeis e de baixo peso molecular."

"Se você deseja fazer um copo que não quebra ao ser flexionado, é necessário obter um peso molecular realmente alto", disse Coates.

Usando um processo chamado polimerização catiônica de abertura de anel de desativação reversível, os pesquisadores foram capazes de conectar os monômeros em longas cadeias de PDXL que têm alto peso molecular e alta resistência à tração.

O termoplástico resultante é forte e flexível o suficiente para ser usado em aplicações em grande escala, como embalagens de produtos. A equipe demonstrou esse potencial criando vários itens de protótipo, incluindo bolsas de proteção, embalagens moldadas e almofadas de ar infláveis ​​do tipo que a Amazon usa para preencher suas caixas.

"No momento, quase 40% do plástico é produzido para produtos de embalagem que são usados ​​brevemente e depois descartados", disse Snyder. "O PDXL tem a resistência necessária para embalagem, mas em vez de jogá-lo fora, podemos coletá-lo e reutilizá-lo usando um processo de reciclagem química muito eficiente. Isso o torna um candidato perfeito para uma economia de polímero circular."

O processo de reciclagem é tão eficiente que o PDXL pode até ser despolimerizado de misturas complexas de resíduos de plástico . A equipe misturou PDXL com outros plásticos de commodities, como tereftalato de polietileno, polietileno e poliestireno. Depois de aplicar um catalisador ácido reutilizável e calor, eles conseguiram recuperar 96% do monômero de dioxolano puro, demonstrando que ele pode ser facilmente isolado de contaminantes comuns como corantes e plastificantes. O monômero recuperado foi então repolimerizado em PDXL, ilustrando a circularidade da reciclagem química do poliacetal.

Isso aponta para o atributo mais significativo do polímero: sua sustentabilidade.

“São necessários muitos combustíveis fósseis para fazer esses plásticos, e a pegada de carbono do polietileno ou polipropileno comum é muito ruim. Portanto, temos que melhorar a forma como os fazemos”, disse Coates. "Se você puder reciclar quimicamente o polímero, ele não irá para o oceano, certo? E então, em vez de usar toda essa energia para tirar o petróleo do solo e quebrá-lo em pedacinhos e gastar toda essa energia, tudo o que temos a fazer é apenas aquecer o polímero e boom, temos um monômero novamente. "

 

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