Forscher der Universität Tokio haben einen innovativen Kunststoff entwickelt, der stärker und dehnbarer ist als der aktuelle Standardtyp. Der Kunststoff ist außerdem teilweise biologisch abbaubar, behält seine Form und kann durch Hitze geheilt werden. Die Forscher schufen es, indem sie das Molekül Polyrotaxan zu einem Epoxidharz-Vitrimer, einer Art Kunststoff, hinzufügten.
Das VPR genannte Material kann seine Form behalten und weist bei niedrigen Temperaturen starke interne chemische Bindungen auf. Bei Temperaturen über 150° Celsius rekombinieren diese Bindungen jedoch und das Material kann in verschiedene Formen umgewandelt werden.
Durch die Anwendung von Hitze und einem Lösungsmittel wird VPR in seine Rohbestandteile zerlegt. Das 30-tägige Eintauchen in Meerwasser führte ebenfalls zu einem biologischen Abbau von 25 %, wobei das Polyrotaxan in eine Nahrungsquelle für Meereslebewesen zerfiel. Dieses neue Material könnte weitreichende Anwendungen für eine stärker kreislauforientierte Wirtschaft haben, um Ressourcen wiederzuverwenden und Abfall zu reduzieren, von der Technik und Fertigung bis hin zu Medizin und nachhaltiger Mode.
Die Studie lautet „Umweltfreundliches, nachhaltiges Duroplast-Vitrimer-haltiges Polyrotaxan“. veröffentlicht im Tagebuch ACS-Materialbriefe.
Trotz weltweiter Kampagnen zur Eindämmung von Plastikverbrauch und -abfall ist es schwierig, das allgegenwärtige Material zu vermeiden. Von Spielzeug und Kleidung über Haushaltswaren und Elektronik bis hin zu Fahrzeugen und Infrastruktur scheint es heutzutage in fast allem zu stecken, was wir nutzen. Obwohl Kunststoff nützlich ist, gibt es viele Probleme im Zusammenhang mit dem Lebenszyklus und der Entsorgung von Kunststoff.
Die Entwicklung von Alternativen, die länger halten, leichter wiederverwendet und recycelt werden können oder aus umweltfreundlichen Quellen hergestellt werden, ist der Schlüssel zur Lösung dieser Probleme und zur Verwirklichung mehrerer Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung.
Vor diesem Hintergrund haben Forscher der Universität Tokio einen nachhaltigeren Kunststoff entwickelt, der auf einem Epoxidharz-Vitrimer basiert. Vitrimere sind eine relativ neue Klasse von Kunststoffen, die bei niedrigeren Temperaturen fest und fest sind (wie Duroplaste, die zur Herstellung von hitzebeständigem Geschirr verwendet werden), sich aber auch bei höheren Temperaturen mehrfach umformen lassen (wie Thermoplaste, die für Plastikflaschen verwendet werden). ). Allerdings sind sie typischerweise spröde und können nicht weit gedehnt werden, bevor sie brechen.
Durch die Zugabe eines Moleküls namens Polyrotaxan gelang es dem Team, eine deutlich verbesserte Version zu schaffen, die sie VPR (mit Polyrotaxan eingebautes Vitrimer) nannten [PR]).
„VPR ist mehr als fünfmal so bruchfest wie ein typischer Epoxidharz-Vitrimer“, sagte Projektassistent Professor Shota Ando von der Graduate School of Frontier Sciences. „Außerdem repariert es sich 15-mal so schnell, kann seine ursprünglich gespeicherte Form doppelt so schnell wiederherstellen und kann 10-mal so schnell chemisch recycelt werden wie das typische Vitrimer. Es wird sogar in einer Meeresumgebung sicher biologisch abgebaut, was für dieses Material neu ist.“ “
Polyrotaxan hat aufgrund seiner Fähigkeit, die Zähigkeit verschiedener Materialien zu erhöhen, in Wissenschaft und Industrie zunehmendes Interesse geweckt. In dieser Studie führte die verbesserte Zähigkeit von VPR dazu, dass komplexere Formen erzeugt und auch bei niedrigen Temperaturen beibehalten werden konnten (wie der Origami-Kranich im Video, das dieser Veröffentlichung beiliegt).
Auch die Entsorgung bzw. das Recycling sei einfacher als bei Vitrimeren ohne Polyrotaxan, erklärte Ando.
„Obwohl dieses Harz bei Raumtemperatur in verschiedenen Lösungsmitteln unlöslich ist, kann es beim Eintauchen in ein bestimmtes Lösungsmittel und Erhitzen leicht bis auf die Rohmaterialebene abgebaut werden. Auch nach 30-tägiger Einwirkung von Meerwasser zeigte es einen biologischen Abbau von 25 %. Zum Vergleich: „Vitrimer ohne PR erfuhr keinen offensichtlichen biologischen Abbau. Diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Material in der heutigen Gesellschaft, die Ressourcenrecycling erfordert“, sagte Ando.
Von der Technik bis zur Mode, von der Robotik bis zur Medizin sieht das Team sowohl praktische als auch spielerische Anwendungen für VPR.
„Um nur einige Beispiele zu nennen: Infrastrukturmaterialien für Straßen und Brücken bestehen oft aus Epoxidharzen, gemischt mit Verbindungen wie Beton und Kohlenstoff. Durch die Verwendung von VPR wären diese einfacher zu warten, da sie stärker und durch Hitze heilbar wären“, schlug er vor Ando.
„Im Gegensatz zu herkömmlichen Epoxidharzen ist dieses neue Material hart, aber dehnbar, sodass zu erwarten ist, dass es auch Materialien unterschiedlicher Härte und Dehnung fest verbindet, wie sie beispielsweise für die Fahrzeugherstellung benötigt werden. Außerdem verfügt es über Formgedächtnis, Formbearbeitung und Formgebung.“ Dank der Regenerationsfähigkeiten können Sie vielleicht eines Tages auch die Silhouette Ihrer Lieblingskleidung zu Hause mit einem Fön oder Dampfbügeleisen neu gestalten.
Der nächste Schritt des Teams wird darin bestehen, mit Unternehmen zusammenzuarbeiten, um die Machbarkeit seiner verschiedenen Ideen für VPR zu ermitteln und seine Forschung im Labor fortzusetzen. „Ich habe immer gedacht, dass es sehr schwierig ist, vorhandene Kunststoffe wiederzugewinnen und zu entsorgen, weil sie je nach Verwendungszweck unterteilt sind“, sagte Ando. „Es wäre ideal, wenn wir mit einem einzigen Material wie diesem viele Probleme der Welt lösen könnten.“
Mehr Informationen:
Shota Ando et al., Umweltfreundliches, nachhaltiges Duroplast-Vitrimer-haltiges Polyrotaxan, ACS-Materialbriefe (2023). DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00895