علمی، پژوهشی و فناوری

تجزیه کامل پلکسی گلاس به بلوک های ساختمانی آن

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری: امروزه بازیافت پلاستیک در درجه اول به جمع آوری بطری های نوشیدنی PET یا پلی اتیلن مرتب شده محدود می شود. پلاستیک جمع آوری شده دارای ترکیب شیمیایی یکسانی با مولکول های پلیمری با طول های مشابه است. مواد افزودنی مورد استفاده برای افزایش خواصی مانند رنگ، نرمی یا مقاومت در برابر نور خورشید نیز مشابه هستند.

این فرایند پلاستیک را قادر می سازد تا ذوب شود و به بطری های جدید تبدیل شود. در مقابل، پلاستیک هایی با انواع و کیفیت های مختلف (معروف به پلاستیک های مخلوط) معمولاً برای تولید گرما در کارخانه های سیمان سوزانده می شوند.

تیمی از دانشمندان به سرپرستی آتینا آناستازاکی از آزمایشگاه مواد پلیمری در ETH زوریخ، روشی را کشف کرده‌اند که تجزیه تقریباً کامل پلکسی گلاس را به بلوک‌های سازنده مونومر آن امکان‌پذیر می‌سازد. با استفاده از مواد افزودنی، این بلوک های ساختمانی را می توان به راحتی از طریق تقطیر به محصولات اولیه درجه بکر برای سنتز پلیمرهای پلکسی گلاس جدید خالص کرد.

پیامدهای بالقوه قابل توجه است: با تولید جهانی سالانه حدود 3.9 میلیون تن، پلکسی گلاس (از نظر شیمیایی به عنوان PMMA یا پلی متیل متاکریلات شناخته می شود) یک ماده اکریلیک بادوام و سبک است. در صنایع هوافضا و خودروسازی، در ساخت صفحه نمایش و مانیتور و در صنعت ساخت و ساز در حال افزایش محبوبیت است.

فرآیند توسعه یافته توسط محققان ETH و ارائه شده در مجله Science بسیار قوی است. همچنین با زنجیره های پلیمری بسیار طولانی که از 10000 بلوک ساختمانی مونومر تشکیل شده است، موثر است. علاوه بر این، وجود مواد افزودنی مانند کوپلیمرها، نرم‌کننده‌ها، رنگ‌ها و اکثر پلاستیک‌های دیگر کمترین تأثیر را بر بریدگی زنجیره دارد. حتی هنگام استفاده از پلکسی گلاس چند رنگ از بازار DIY، بازدهی بین 94 تا 98 درصد باقی می ماند.

فرآیند به طرز شگفت انگیزی ساده

آناستازاکی تاکید می‌کند: «فرایند ما بسیار ساده است: تنها چیزی که نیاز داریم یک حلال مبتنی بر کلر است و مخلوط بازیافت محلول را تا دمای بین 90 تا 150 درجه سانتی‌گراد گرم کنیم تا واکنش پلی‌مریزاسیون را با کمک اشعه ماوراء بنفش یا نور مرئی آغاز کنیم.»

پروفسور ETH از اینکه این فرآیند چقدر ساده است شگفت زده شد. مانند بسیاری از پلاستیک های مهم دیگر، مانند پلی اتیلن یا پلی پروپیلن، پلیمرهای پلکسی گلاس از یک زنجیره پلیمری از اتم های کربن با گروه های جانبی مختلفی که بسته به نوع پلاستیک منشعب می شوند، تشکیل شده اند. تا به امروز، این زنجیره‌های کربنی یکنواخت یک چالش شیمیایی غیرقابل حل برای تقسیم هدفمند به مونومرها ایجاد کرده‌اند، زیرا نقاط حمله خاصی را برای واکنش‌های شکاف فراهم نمی‌کنند.

تنها روشی که در حال حاضر در صنعت استفاده می شود و زنجیره های کربنی همگن را به طور کامل از بین می برد، پیرولیز است. این شامل تجزیه حرارتی زنجیره های کربنی در حدود 400 درجه سانتیگراد است. با این حال، این واکنش‌ها غیراختصاصی هستند و در نتیجه مخلوطی از محصولات مختلف رخ می‌دهند. مقدار زیادی انرژی مورد نیاز برای این فرآیند، همراه با هزینه های مربوط به خالص سازی مخلوط حاصل، کارایی اقتصادی پیرولیز را به شدت محدود می کند.

چندین سال است که گروه‌های تحقیقاتی مختلفی با پلیمرهای اصلاح‌شده آزمایش می‌کنند. آنها گروه های مولکولی به راحتی قابل جدا شدن را در انتهای زنجیره های پلیمری معرفی کرده اند که سپس باعث ایجاد ساختارشکنی از انتهای زنجیره می شود. به این ترتیب، محققان بازدهی تا بیش از 90 درصد را به دست آورده اند.

با این حال، این پلیمرهای طراح دارای چندین معایب عمده هستند. علاوه بر نیاز به ادغام اول از همه در تولید پلاستیک تاسیس شده، گروه های انتهایی واکنش پذیر آنها به طور قابل توجهی پایداری حرارتی پلیمرها و در نتیجه کاربردهای احتمالی آنها را محدود می کند. علاوه بر این، بسیاری از افزودنی‌های پلاستیکی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، بازده واکنش‌ها را کاهش می‌دهند، در نتیجه پلیمریزاسیون تنها به میزان محدودی کار می‌کند، حتی در مورد زنجیره‌های پلیمری طولانی که اغلب در پلاستیک‌های تجاری رخ می‌دهند.

حلال واکنش را تعیین می کند

همانطور که اغلب در شیمی اتفاق می افتد، روش جدید به طور تصادفی کشف شد. همانطور که آناستازاکی توضیح می دهد: "ما در واقع به دنبال کاتالیزورهای خاصی بودیم که تجزیه هدفمند به مونومرها را ارتقاء بخشد. اما یک آزمایش کنترلی منجر به کشف شگفت انگیزی شد که کاتالیزور حتی ضروری نیست. حلال کلر شده ای که نمونه پلکسی گلاس خرد شده در آن حل شده بود به اندازه ای بود که عملاً پلیمر را با کمک نور UV کاملاً شکافت.

هنگامی که محققان نگاه دقیق تری به واکنش شکاف انداختند، با مکانیسم شگفت انگیزی مواجه شدند. آنها کشف کردند که ذره فعال شیمیایی در واکنش یک رادیکال کلر است که هنگام تحریک نور UV از حلال کلردار جدا می شود. آنچه غیرمنتظره بود این بود که نور با طول موج بالا می تواند پیوند کلر را با مولکول حلال بشکند. این به عنوان بخشی از یک پدیده فتوشیمیایی نسبتاً باطنی رخ می دهد که به موجب آن بخش بسیار کوچکی از مولکول های حلال نور UV با طول موج بالا را جذب می کند.

آناستازاکی توانست روی کمک متخصصان سایر گروه‌های تحقیقاتی ETH برای بررسی مکانیسم پشت واکنش شکاف حساب کند. Tae-Lim Choi از آزمایشگاه شیمی پلیمر، حالات الکترونیکی نظری مولکول‌های درگیر را محاسبه کرد، در حالی که Gunnar Jeschke از مؤسسه علوم فیزیک مولکولی اندازه‌گیری‌های رزونانس پارامغناطیس الکترونی را انجام داد که برای تأیید تجربی پیش‌بینی‌های نظری استفاده شد.

کلر باید برود

با این حال، محقق ETH در آینده می‌خواهد از حلال کلردار در فرآیند بازیافت خود صرف نظر کند: «ترکیبات شیمیایی کلر به محیط زیست آسیب می‌رسانند. بنابراین هدف بعدی ما این است که واکنش‌ها را اصلاح کنیم تا بتوانند بدون حلال کلر کار کنند.

هنوز مشخص نیست که چگونه و چه زمانی روش ETH در عمل پیاده سازی می شود. در هر صورت، آناستازاکی و تیم محققانش راه را به روی روش‌های بازیافت جدیدی باز کرده‌اند که می‌توان از آنها برای شکستن هدفمند زنجیره‌های کربنی پلاستیکی که قبلاً از نظر شیمیایی غیرقابل دسترس بودند استفاده کرد.