塑料重新开始:突破性发现从内到外回收塑料

蓝色背景的不同塑料袋。俯视图。

轻而坚固,塑料很好——直到你不再需要它。因为塑料含有各种添加剂,像染料一样,填料,或阻燃剂,很少有塑料能被回收利用而不会损失性能或美观。即使是最可回收的塑料,PET或聚对苯二甲酸乙二醇酯只能在20-30%的比率,剩下的通常是去焚化炉或垃圾填埋场,这里富含碳的物质需要几个世纪才能分解。

现在美国的一个研究小组能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)设计了一种可回收塑料,就像乐高玩具,可以在分子水平上分解成其组成部分,然后重新组合成不同的形状,纹理,一次又一次地上色,没有性能或质量的损失。新材料,称为聚(二酮甲酰胺)或PDK,在杂志上报道过自然化学.

塑料重新开始:突破性发现从内到外回收塑料

从左到右:彼得·克里斯滕森,凯瑟琳·洛弗勒,还有布雷特·赫尔姆斯。(学分:Marilyn Chung/伯克利实验室)

主要作者彼得·克里斯滕森(PeterChristensen)说:“绝大多数塑料从未被回收利用。”伯克利实验室的博士后研究员分子铸造厂.“但我们发现了一种新的塑料组装方法,从分子的角度考虑回收利用。”

克里斯滕森是由布雷特赫尔姆斯,伯克利实验室的职员科学家分子铸造厂.其他合著者是本科生研究人员安吉丽克舍尔曼(当时的加州大学伯克利分校)和凯瑟琳罗弗勒(当时的德克萨斯大学奥斯汀分校),他们在研究时由能源部的科学本科生实验室实习(SULI)项目资助。德赢手机版

所有塑料,从水瓶到汽车零件,由大分子聚合物组成,由称为单体的较短含碳化合物的重复单元组成。

据研究人员称,许多塑料的问题在于,添加的化学物质使其有用,例如使塑料变得坚硬的填充物,或者塑化剂,使塑料具有柔韧性,即使在回收厂加工后,也能与单体紧密结合并留在塑料中。

在这些工厂加工期间,具有不同化学成分的塑料–硬塑料,弹性塑料,透明塑料,糖果色塑料——混合在一起,磨成碎片。当大杂烩的碎塑料熔化成新材料时,很难预测它将从原始塑料继承哪些特性。

塑料重新开始:突破性发现从内到外回收塑料

与传统塑料不同,PDK塑料的单体可以通过将其浸泡在高酸性溶液中,从任何复合添加剂中回收和去除。(学分:Peter Christensen等人/伯克利实验室)

这种未知的,因此不可预测的属性的继承阻止了塑料成为许多人认为的回收的圣杯:一种“圆形”材料,其原始单体可以被回收并尽可能长时间重复使用,或者“升级”来制造新的,更高质量的产品。

所以,当用可回收塑料制成的可重复使用购物袋磨损时,它不能被更新,甚至不能被回收用来制造新产品。一旦袋子到了生命的尽头,它要么被烧成热,电力,或燃料,或者最后被扔进垃圾堆,Helms说。

他说:“循环塑料和塑料向上循环是巨大的挑战。”“我们已经看到塑料废物泄漏到我们的水生生态系统中的影响,而且这种趋势可能会因制造的塑料数量的增加以及下游对我们的市政回收基础设施施加的压力而加剧。”

一次回收一个单体的塑料

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这段延时视频显示了一块pdk塑料在酸中降解成其分子结构单元——单体。这种酸有助于打破单体之间的键,并将它们与化学添加剂分离,使塑料具有外观和手感。(学分:彼得·克里斯滕森/伯克利实验室)

研究人员希望通过鼓励塑料的回收和再利用,将塑料从垃圾填埋场和海洋中转移出去。这可能与由pdk形成的聚合物有关。“和PDKs一起,传统塑料的不变键被可逆键取代,这使得塑料能够更有效地回收利用,”赫尔姆斯说。

与传统塑料不同,PDK塑料的单体可以通过将其浸泡在高酸性溶液中,从任何复合添加剂中回收和去除。这种酸有助于打破单体之间的键,并将它们与化学添加剂分离,使塑料具有外观和手感。

赫尔姆斯说:“我们对将塑料生命周期从线性转向圆形的化学过程感兴趣。”“我们看到了一个改变没有回收选择的地方的机会。”包括粘合剂,电话机箱,表带,鞋,计算机电缆,以及通过成型热塑料材料制成的硬热固性塑料。

当克里斯滕森将各种酸应用于制造PDK粘合剂的玻璃器皿时,研究人员首先发现了PDK塑料令人兴奋的圆形特性。注意到粘合剂的成分发生了变化。想知道粘合剂是如何改变的,克里斯滕森用核磁共振(核磁共振)波谱仪分析了样品的分子结构。“令我们惊讶的是,他们是最初的单体,”赫尔姆斯说。

在分子铸造厂测试了各种配方后,他们证明,酸不仅能将PDK聚合物分解成单体,但是这个过程也允许单体从缠绕的添加剂中分离出来。

下一步,他们证明,回收的PDK单体可以重新合成聚合物,这些回收的聚合物可以形成新的塑料材料,而不需要继承原材料的颜色或其他特征,因此,如果用PDK塑料制成的话,你扔在垃圾桶里的破碎的黑色表带可以像电脑键盘一样找到新的生活。他们还可以通过增加额外的功能来提高塑料的循环,比如灵活性。

迈向圆形塑料未来

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PDK塑料是一种“圆形”材料,其原始单体可回收,尽可能长时间重复使用。或者“升级”来制造新的,更高质量的产品。(学分:Peter Christensen等人/伯克利实验室)

研究人员相信,他们的新的可回收塑料可能是一个很好的替代品,许多不可回收塑料在今天使用。

赫尔姆斯说:“我们正处在一个关键时刻,我们需要考虑到为未来的废物分类和处理而使回收设施现代化所需的基础设施。”“如果这些设施设计用于回收或更新PDK和相关塑料,这样我们就能更有效地将塑料从垃圾填埋场和海洋中转移出去。这是一个令人兴奋的时刻,开始思考如何设计材料和回收设施,以实现循环塑料,”赫尔姆斯说。

研究人员下一步计划开发具有广泛热性能和机械性能的PDK塑料vwin手机版,用于纺织等多种用途。3D打印,泡沫。此外,他们希望通过加入植物原料和其他可持续来源来扩大配方。

分子铸造厂是美国能源部科学用户设施办公室,专门从事纳米科学。德赢手机版

这项工作得到了能源部实验室指导的研究与发展(LDRD)项目的支持,能源部科学办公室通过SULI项目提供了额外的资金。德赢手机版vwin手机版

该技术可用于许可和协作。如果感兴趣,请联系伯克利实验室知识产权办公室,[电子邮件受保护].

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