Nutzung der Bausteine ​​des Polymerrecyclings

Polymere sind leicht, langlebig und lassen sich leicht zu gefertigten Teilen verarbeiten, Eigenschaften, die Polymere zur volumenmäßig relevantesten Klasse von technischen Materialien gemacht haben. Das Recycling von Polymeren ist jedoch eine Herausforderung, an der Materialwissenschaftler seit Jahrzehnten forschen.

Ein alternativer Weg zu einer nachhaltigeren Polymerindustrie ist die Verlängerung der Lebensdauer von Polymeren. Ein faszinierendes neues Konzept besteht darin, die Fähigkeit zur „Selbstheilung“ von strukturellen Schäden zu vermitteln. Michael Bockstaller, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering, hat in Zusammenarbeit mit Krzysztof Matyjaszewski, Professor für Chemie, herausgefunden, dass die Bindung von Copolymeren auf der Oberfläche von Nanopartikeln, die bereits in der industriellen Fertigung verwendet werden, eine Wirtschaftlichkeit bietet und skalierbarer Weg zu selbstheilenden Polymeren mit erhöhter Festigkeit und Zähigkeit.

Wenn Sie an die Bausteine ​​von Materialien denken, denken Sie normalerweise an Atome. In Bockstallers Forschungsgruppe inspirierte dieses Konzept einen neuen Ansatz zur Herstellung funktioneller Materialien durch Zusammenbau von Nanopartikel-Bausteinen unter Verwendung einer Form der Atomtransfer-Radikalpolymerisation, einer von Matyjaszewski erfundenen und entwickelten Technik. Die Eigenschaften der resultierenden Materialien können durch Steuerung der Wechselwirkungen zwischen Nanopartikel-Bausteinen variiert werden. Dieses Konzept eröffnet neue Möglichkeiten, die Eigenschaften technischer Werkstoffe zu variieren, ohne deren chemische Zusammensetzung verändern zu müssen – eine Eigenschaft, die im Hinblick auf die Recyclingfähigkeit von großem Vorteil ist.

Während sie daran arbeiteten, diese Partikel für Fertigungstechnologien wie die additive Fertigung zugänglicher zu machen, experimentierte Bockstallers Team damit, Copolymere auf die Oberfläche von Nanopartikeln zu bringen.

„Wenn wir Polymere auf die Oberfläche von Nanopartikeln bringen können, können wir die Wechselwirkungen zwischen ihnen verbessern und Materialien mechanisch robuster und leichter formbar machen“, sagt Bockstaller.

Matyjaszewski fügte hinzu: „Diese Arbeit zeigt, wie die Kontrolle der makromolekularen Architektur die Eigenschaften verschiedener fortschrittlicher Materialien dramatisch verbessern kann.“

Copolymere sind eine spezielle Klasse von Polymeren, die aus zwei verschiedenen Monomeren aufgebaut sind und selbstheilende Eigenschaften aufweisen. Die Forscher fanden heraus, dass beim Hinzufügen von Copolymeren auf die Oberfläche von Nanopartikeln neue Strukturen gebildet wurden, die die Selbstheilungseigenschaften des Polymers verstärkten. Diese Entdeckung ist grundlegend für die Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Polymeren.

„Damit vermeiden wir Materialversagen“, erklärt Bockstaller. „Wenn sich das Material selbst heilen kann, reduzieren wir die Notwendigkeit, durch Stress beschädigte Materialien zu entsorgen.“

Bockstallers Gruppe wird weiterhin Strategien erforschen, um die Festigkeit und Zähigkeit von selbstheilenden Materialien auf Copolymerbasis zu maximieren und sie für skalierbare Produktionsverfahren verfügbar zu machen.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Makromoleküle.