Termoindurenti, che includono resine epossidiche, poliuretani, e gomma usata per pneumatici, si trovano in molti prodotti che devono essere durevoli e resistenti al calore, come automobili o elettrodomestici. Uno svantaggio di questi materiali è che in genere non possono essere facilmente riciclati o scomposti dopo l'uso, perché i legami chimici che li tengono insieme sono più forti di quelli che si trovano in altri materiali come i termoplastici.

I chimici del MIT hanno ora sviluppato un modo per modificare la plastica termoindurente con un legante chimico che rende i materiali molto più facili da scomporre, ma consente comunque loro di mantenere la resistenza meccanica che li rende così utili.

In uno studio apparso oggi in Natura , i ricercatori hanno dimostrato di poter produrre una versione degradabile di una plastica termoindurente chiamata pDCPD, ridurlo in polvere, e usa la polvere per creare più pDCPD. Hanno anche proposto un modello teorico che suggerisce che il loro approccio potrebbe essere applicabile a un'ampia gamma di materie plastiche e altri polimeri, come la gomma.

"Questo lavoro svela un principio progettuale fondamentale che riteniamo sia generale per qualsiasi tipo di termoindurente con questa architettura di base, "dice Geremia Johnson, un professore di chimica al MIT e l'autore senior dello studio.

Peyton Shieh, un Postdoctoral Fellow dell'American Cancer Society presso il MIT, è il primo autore dell'articolo.

Difficile da riciclare

I termoindurenti sono una delle due principali classi di materie plastiche, insieme ai termoplastici. I termoplastici includono polietilene e polipropilene, che vengono utilizzati per i sacchetti di plastica e altri materiali plastici monouso come gli involucri per alimenti. Questi materiali sono realizzati riscaldando piccole palline di plastica fino a quando non si sciolgono, quindi modellarli nella forma desiderata e lasciarli raffreddare nuovamente fino a farli diventare solidi.

Termoplastici, che costituiscono circa il 75% della produzione mondiale di plastica, possono essere riciclati riscaldandoli nuovamente fino a farli diventare liquidi, in modo che possano essere rimodellati in una nuova forma.

Le plastiche termoindurenti sono realizzate con un processo simile, ma una volta che si sono raffreddati da liquido a solido, è molto difficile riportarli allo stato liquido. Questo perché i legami che si formano tra le molecole polimeriche sono forti legami chimici chiamati legami covalenti, che sono molto difficili da rompere. Quando riscaldato, le plastiche termoindurenti in genere bruciano prima di poter essere rimodellate, dice Johnson.

"Una volta che sono impostati in una data forma, sono in quella forma per tutta la vita, " dice. "Spesso non c'è un modo semplice per riciclarli."

Il team del MIT voleva sviluppare un modo per conservare gli attributi positivi delle plastiche termoindurenti, la loro resistenza e durata, rendendole più facili da scomporre dopo l'uso.

In un articolo pubblicato lo scorso anno, con Shieh come autore principale, Il gruppo di Johnson ha segnalato un modo per creare polimeri degradabili per la somministrazione di farmaci, incorporando un blocco costitutivo, o monomero, contenente un gruppo etere sililico. Questo monomero è distribuito casualmente in tutto il materiale, e quando il materiale è esposto ad acidi, basi, o ioni come il fluoro, i legami di silil etere si rompono.

Lo stesso tipo di reazione chimica usata per sintetizzare quei polimeri è usata anche per fare alcune plastiche termoindurenti, compreso il polidiciclopentadiene (pDCPD), che viene utilizzato per i pannelli della carrozzeria di camion e autobus.

Utilizzando la stessa strategia del loro articolo del 2019, i ricercatori hanno aggiunto monomeri di silil etere ai precursori liquidi che formano il pDCPD. Hanno scoperto che se il monomero dell'etere di silile costituiva tra il 7,5 e il 10% del materiale complessivo, pDCPD manterrebbe la sua resistenza meccanica ma potrebbe essere scomposto in una polvere solubile in seguito all'esposizione a ioni fluoruro.

"Questa è stata la prima cosa eccitante che abbiamo trovato, " Johnson dice. "Possiamo rendere il pDCPD degradabile senza danneggiare le sue proprietà meccaniche utili".

Nuovi materiali

Nella seconda fase dello studio, i ricercatori hanno cercato di riutilizzare la polvere risultante per formare un nuovo materiale pDCPD. Dopo aver sciolto la polvere nella soluzione precursore utilizzata per preparare il pDCPD, sono stati in grado di creare nuovi termoindurenti pDCPD dalla polvere riciclata.

"Quel nuovo materiale è quasi indistinguibile, e in qualche modo migliorato, proprietà meccaniche rispetto al materiale originale, " Dice Johnson. "Dimostrare che è possibile prendere i prodotti di degradazione e rifare di nuovo lo stesso termoindurente utilizzando lo stesso processo è entusiasmante".

I ricercatori ritengono che questo approccio generale potrebbe essere applicato anche ad altri tipi di chimica termoindurente. In questo studio, hanno dimostrato che l'uso di monomeri degradabili per formare i singoli filamenti dei polimeri è molto più efficace rispetto all'utilizzo di legami degradabili per "reticolare" i filamenti insieme, che è stato provato prima. Ritengono che questo approccio a filamento scindibile possa essere utilizzato per generare molti altri tipi di materiali degradabili.

Se si possono trovare i giusti tipi di monomeri degradabili per altri tipi di reazioni di polimerizzazione, questo approccio potrebbe essere utilizzato per realizzare versioni degradabili di altri materiali termoindurenti come acrilici, epossidiche, siliconi, o gomma vulcanizzata, dice Johnson.

I ricercatori ora sperano di formare una società per concedere in licenza e commercializzare la tecnologia. Il MIT ha anche concesso a Millipore Sigma una licenza non esclusiva per produrre e vendere i monomeri di silil etere per scopi di ricerca.

Patrick Casey, consulente per nuovi prodotti presso SP Insight e mentore presso il Deshpande Center for Technological Innovation del MIT, ha lavorato con Johnson e Shieh per valutare la tecnologia, compresa l'esecuzione di alcuni modelli economici preliminari e ricerche di mercato secondarie.

"Abbiamo discusso di questa tecnologia con alcuni dei principali attori del settore, che ci dicono che promette di essere positivo per gli stakeholder lungo tutta la catena del valore, " Casey dice. "I fabbricanti di parti ottengono un flusso di materiali riciclati a basso costo; produttori di apparecchiature, come le aziende automobilistiche, possono raggiungere i propri obiettivi di sostenibilità; e i riciclatori ottengono un nuovo flusso di entrate dalla plastica termoindurente. I consumatori vedono un risparmio sui costi, e tutti noi otteniamo un ambiente più pulito."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.