تتيح الطريقة الجديدة لإنتاج اللدائن المتصلدة بالحرارة أن تتحلل بسهولة أكبر بعد الاستخدام.
توجد المواد الحرارية ، والتي تشمل الإيبوكسي والبولي يوريثان والمطاط المستخدم للإطارات ، في العديد من المنتجات التي يجب أن تكون متينة ومقاومة للحرارة ، مثل السيارات أو الأجهزة الكهربائية. أحد عيوب هذه المواد هو أنه لا يمكن إعادة تدويرها بسهولة أو تفكيكها بعد الاستخدام ، لأن الروابط الكيميائية التي تربطها ببعضها البعض أقوى من تلك الموجودة في المواد الأخرى مثل اللدائن الحرارية.
طور الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن طريقة لتعديل اللدائن المتصلدة بالحرارة باستخدام رابط كيميائي يجعل المواد أسهل للتكسير ، ولكنها لا تزال تسمح لهم بالاحتفاظ بالقوة الميكانيكية التي تجعلها مفيدة للغاية.
في دراسة نُشرت اليوم في دورية Nature ، أظهر الباحثون أنهم يستطيعون إنتاج نسخة قابلة للتحلل من البلاستيك المتصلد بالحرارة يسمى pDCPD ، وتقسيمه إلى مسحوق ، واستخدام المسحوق لإنشاء المزيد من pDCPD. اقترحوا أيضًا نموذجًا نظريًا يشير إلى أن نهجهم يمكن أن يكون قابلاً للتطبيق على مجموعة واسعة من البلاستيك والبوليمرات الأخرى ، مثل المطاط.
يقول جيرميا جونسون ، أستاذ الكيمياء المشارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة: "يكشف هذا العمل عن مبدأ التصميم الأساسي الذي نعتقد أنه عام لأي نوع من أنواع الترموسيت مع هذه الهندسة الأساسية".
بيتون شيه ، زميل ما بعد الدكتوراه في جمعية السرطان الأمريكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، هو المؤلف الأول لهذه الورقة.
من الصعب إعادة التدوير
تعتبر المواد البلاستيكية الحرارية واحدة من فئتين رئيسيتين من البلاستيك ، إلى جانب اللدائن الحرارية. تشمل اللدائن الحرارية البولي إيثيلين والبولي بروبيلين ، والتي تستخدم في الأكياس البلاستيكية والمواد البلاستيكية الأخرى ذات الاستخدام الواحد مثل أغلفة الطعام. يتم تصنيع هذه المواد عن طريق تسخين حبيبات صغيرة من البلاستيك حتى تذوب ، ثم قولبتها بالشكل المطلوب وتركها تبرد مرة أخرى لتصبح صلبة.
يمكن إعادة تدوير اللدائن الحرارية ، التي تشكل حوالي 75 في المائة من إنتاج البلاستيك في جميع أنحاء العالم ، عن طريق تسخينها مرة أخرى حتى تصبح سائلة ، بحيث يمكن إعادة تشكيلها في شكل جديد.
يتم تصنيع اللدائن الحرارية من خلال عملية مماثلة ، ولكن بمجرد تبريدها من سائل إلى مادة صلبة ، من الصعب جدًا إعادتها إلى الحالة السائلة. ذلك لأن الروابط التي تتشكل بين جزيئات البوليمر عبارة عن روابط كيميائية قوية تسمى الروابط التساهمية ، والتي يصعب للغاية كسرها. يقول جونسون ، عند تسخينها ، عادةً ما تحترق المواد البلاستيكية بالحرارة قبل إعادة تشكيلها.
يقول: "بمجرد وضعها في شكل معين ، تبقى في هذا الشكل طوال حياتها". "غالبًا ما لا توجد طريقة سهلة لإعادة تدويرها."
أراد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تطوير طريقة للاحتفاظ بالسمات الإيجابية للبلاستيك الحراري - قوتها ومتانتها - مع تسهيل تفكيكها بعد الاستخدام.
في ورقة بحثية نُشرت العام الماضي ، مع Shieh كمؤلف رئيسي ، أبلغت مجموعة Johnson عن طريقة لإنشاء بوليمرات قابلة للتحلل لتوصيل الدواء ، من خلال دمج لبنة بناء ، أو مونومر ، يحتوي على مجموعة silyl ether. يتم توزيع هذا المونومر بشكل عشوائي في جميع أنحاء المادة ، وعندما تتعرض المادة للأحماض أو القواعد أو الأيونات مثل الفلورايد ، تنكسر روابط الأثير silyl.
يتم استخدام نفس النوع من التفاعل الكيميائي المستخدم في تصنيع تلك البوليمرات أيضًا في صناعة بعض اللدائن المتصلدة بالحرارة ، بما في ذلك polydicyclopentadiene (pDCPD) ، والذي يستخدم لألواح الهيكل في الشاحنات والحافلات.
باستخدام نفس الإستراتيجية من ورقتهم البحثية لعام 2019 ، أضاف الباحثون مونومرات إثير سيليل إلى السلائف السائلة التي تشكل اضطراب ثنائي كلورو ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ووجدوا أنه إذا كان مونومر الأثير السيليل يتكون من 7.5 إلى 10 في المائة من المادة الكلية ، فإن pDCPD سيحتفظ بقوته الميكانيكية ولكن يمكن تقسيمه إلى مسحوق قابل للذوبان عند التعرض لأيونات الفلوريد.
يقول جونسون: "كان هذا أول شيء مثير وجدناه". "يمكننا جعل pDCPD قابل للتحلل مع عدم الإضرار بخصائصه الميكانيكية المفيدة."
خامات جديدة
في المرحلة الثانية من الدراسة ، حاول الباحثون إعادة استخدام المسحوق الناتج لتشكيل مادة pDCPD جديدة. بعد إذابة المسحوق في محلول السلائف المستخدم في صنع pDCPD ، تمكنوا من صنع مواد حرارية pDCPD جديدة من المسحوق المعاد تدويره.
يقول جونسون: "هذه المادة الجديدة لها خواص ميكانيكية لا يمكن تمييزها تقريبًا ، وفي بعض النواحي محسّنة ، مقارنةً بالمادة الأصلية". "إن إثبات أنه يمكنك أخذ منتجات التحلل وإعادة صنع نفس الترموسيت مرة أخرى باستخدام نفس العملية أمر مثير."
يعتقد الباحثون أنه يمكن تطبيق هذا النهج العام على أنواع أخرى من الكيمياء الحرارية أيضًا. في هذه الدراسة ، أظهروا أن استخدام المونومرات القابلة للتحلل لتشكيل الخيوط الفردية للبوليمرات أكثر فاعلية من استخدام الروابط القابلة للتحلل "لربط" الخيوط معًا ، وهو ما تم تجربته من قبل. وهم يعتقدون أن نهج الخيط القابل للانقسام يمكن استخدامه لتوليد أنواع عديدة أخرى من المواد القابلة للتحلل.
يقول جيفري مور ، أستاذ الكيمياء في جامعة إلينوي ، والذي لم يشارك في الدراسة: "هذا تقدم مثير في هندسة اللدائن الحرارية". قضى الكيميائيون معظم جهودهم في تعلم تصنيع مواد بلاستيكية أفضل ، واستُثمرت أبحاث كيميائية أقل بكثير في علم تفكيك البوليمر. يساعد عمل جونسون على سد هذه الفجوة المهمة في المعرفة الأساسية مع توفير التطورات ذات الأهمية التكنولوجية ".
يقول جونسون إنه إذا تم العثور على الأنواع الصحيحة من المونومرات القابلة للتحلل لأنواع أخرى من تفاعلات البلمرة ، فيمكن استخدام هذا النهج لصنع نسخ قابلة للتحلل من مواد أخرى مثل الأكريليك أو الإيبوكسي أو السيليكون أو المطاط المفلكن.
يأمل الباحثون الآن في تشكيل شركة لترخيص التكنولوجيا وتسويقها. كما منح معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Millipore Sigma ترخيصًا غير حصري لتصنيع وبيع مونومرات الأثير silyl لأغراض البحث.
يعمل باتريك كيسي ، مستشار منتجات جديد في SP Insight وموجهًا في مركز Deshpande للابتكار التكنولوجي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، مع جونسون و Shieh لتقييم التكنولوجيا ، بما في ذلك إجراء بعض النماذج الاقتصادية الأولية وأبحاث السوق الثانوية.
يقول كيسي: "لقد ناقشنا هذه التكنولوجيا مع بعض اللاعبين البارزين في الصناعة ، الذين أخبرونا أنها تعد بأن تكون جيدة لأصحاب المصلحة عبر سلسلة القيمة". "يحصل مصنعو الأجزاء على دفق من المواد المعاد تدويرها منخفضة التكلفة ؛ يمكن لمصنعي المعدات ، مثل شركات السيارات ، تحقيق أهداف الاستدامة الخاصة بهم ؛ والقائمين بإعادة التدوير يحصلون على دخل جديد من اللدائن المتصلدة بالحرارة. يرى المستهلكون توفيرًا في التكلفة ، ونحصل جميعًا على بيئة أنظف ".
يجب أن تكون بوليمرات المتصلب الحراري ، الموجودة في أجزاء السيارة والأجهزة الكهربائية ، متينة ومقاومة للحرارة ، ولكن عادةً لا يمكن إعادة تدويرها بسهولة أو تفكيكها بعد الاستخدام. طور الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن طريقة لتعديل اللدائن المتصلدة بالحرارة والتي تسمح بتفكيكها بسهولة أكبر دون المساس بقوتها الميكانيكية.
المصدر