Naukowcy przekształcają odpady z tworzyw sztucznych w wysokiej jakości elastomery

Globalne wyzwanie, jakim są odpady z tworzyw sztucznych, zwłaszcza politereftalan etylenu (PET) z produktów jednorazowego użytku, generujące miliony ton rocznie, zintensyfikowało wysiłki na rzecz przekształcenia tych odpadów w materiały o wyższej wartości poprzez „upcykling”. W artykule zbadano naukowy i przemysłowy potencjał półaromatycznych poliestrów pochodzących z recyklingu chemicznego, w szczególności kwasu tereftalowego pochodzącego z niskowartościowego PET pochodzącego z recyklingu (rPET), do syntezy zaawansowanych elastomerów termoplastycznych (TPE).

I. Recykling odpadów poliestrowych i rozwój materiałów o wysokiej wartości

Globalne odpady PET z butelek i opakowań wymagają ekonomicznie opłacalnych strategii recyklingu, podzielonych na trzy podejścia:

• Podstawowy recykling:Ponowne przetwarzanie samych polimerów lub zmieszanych produktów wtórnych o niższych wymaganiach wydajnościowych.
• Recykling wtórny:Ponowne przetwarzanie termiczne/fizyczne na nowe produkty.
• Recykling trzeciorzędny:Depolimeryzacja poprzez pirolizę lub metody chemiczne w celu odzyskania monomerów.

Wymagania prawne dotyczące zrównoważonego rozwoju napędzają innowacje w upcyklingu PET. Badania skupiają się na odzyskiwaniu kwasu tereftalowego z rPET i optymalizacji procesów w celu połączenia go z monomerami pochodzenia biologicznego (np. glikolem etylenowym, butanodiolem lub diolami pochodnymi furanu) i polieterami (PEG, PTHF) w celu stworzenia materiałów opłacalnych komercyjnie.

II. Kopolimery blokowe PBT-PTHF jako TPE nowej generacji

Kwas tereftalowy pochodzący z rPET może zastąpić tereftalan dimetylu (DMT) w syntezie politereftalanu butylenu (PBT) jako twardych segmentów TPE. Te kopolimery blokowe łączą krystaliczne twarde segmenty (dla stabilności termicznej) z miękkimi segmentami amorficznymi (dla elastyczności w niskich temperaturach), umożliwiając zastosowanie w motoryzacji i towarach konsumenckich.

W tym badaniu przedstawiono jednoetapowy proces, w którym rPET reaguje z 1,4-butanodiolem (BDO) w obecności PTHF, tworząc bezpośrednio kopolimery blokowe PBT-PTHF. Chociaż TPE na bazie PBT dominują w zastosowaniach inżynieryjnych ze względu na szybszą krystalizację niż alternatywy na bazie PET, zależności między strukturą a właściwościami w systemach zawierających monomery pochodzące z rPET pozostają niedostatecznie zbadane.

III. Kontrola mikrostruktury i zachowanie fazowe

Zaawansowana charakterystyka ujawnia, jak skład wpływa na krystalizację:

• Systemy bogate w twarde segmentywykazują wyraźny rozdział faz, wpływając na kinetykę krystalizacji i tworząc struktury lamelarne.
• Systemy z dominacją segmentu miękkiegowykazują minimalny wpływ separacji mikrofaz na wzrost kryształów.

Mikroskopia w świetle spolaryzowanym i rozpraszanie promieni rentgenowskich pokazują, że kopolimery PBT-PTHF tworzą sferolity, dendryty lub sieci przypominające kulki, w zależności od długości bloków i warunków krystalizacji. Warto zauważyć, że monomery pochodzące z rPET zwiększają szybkość krystalizacji - przypisaną resztkowym katalizatorom w zawróconym kwasie tereftalowym - bez zmiany makroskopowej morfologii.

IV. Zrównoważony rozwój i przyszłe kierunki

Ponieważ monomery oparte na paliwach kopalnych mają wkrótce zostać wycofane w ciągu dwóch dekad, prace te stanowią ramy dla opracowania TPE o obiegu zamkniętym z wykorzystaniem odpadowego PET i monomerów pochodzenia biologicznego. Możliwość dostosowania zachowania krystalizacji poprzez konstrukcję kopolimeru blokowego przy jednoczesnym wykorzystaniu surowców pochodzących z recyklingu oferuje skalowalny model wysokowydajnych, zrównoważonych materiałów.