Per sintetizzare la plastica, piccole molecole di monomero devono essere legate insieme come perline in una collana, creando lunghe catene polimeriche.

Però, non tutte le materie plastiche, oi loro polimeri, sono uguali. Più lungo e resistente è il polimero, più durevole è il materiale.

I ricercatori della Cornell hanno preso un monomero mediocre e, utilizzando un catalizzatore speciale, hanno creato un polimero più duro che può formare lunghe catene. Il polimero può quindi essere facilmente depolimerizzato di nuovo allo stato di monomero con un catalizzatore acido, risultando in un termoplastico chimicamente riciclabile che compete con le plastiche più popolari, polietilene e polipropilene.

La carta della squadra, "Termoplastici chimicamente riciclabili dalla polimerizzazione a disattivazione reversibile di acetali ciclici, " pubblicato il 13 agosto in Scienza .

Gli autori principali sono l'ex ricercatore post-dottorato Brooks Abel e Rachel Snyder, dottorato di ricerca '21.

"Idealmente, il polimero perfetto è quello che ha sollecitazioni iniziali davvero elevate e poi subisce un ottimo allungamento, " disse Geoffrey Coates, il professore della Tisch University nel College of Arts and Sciences, e l'autore senior del documento. "I polimeri di cui probabilmente hai sentito parlare, polietilene e polipropilene, hanno solo grandi proprietà. Molti nuovi polimeri non si confrontano bene con questi collaudati. Il nostro polimero è proprio nel mezzo della confezione. Esiste da 60 o 70 anni, ma nessuno è stato in grado di farne lunghe catene e ottenere proprietà davvero buone".

In una svolta inaspettata, la scoperta non è emersa dalla ricerca convenzionale sulla plastica, ma piuttosto dal coinvolgimento del Gruppo Coates con il Joint Center for Energy Storage Research, una collaborazione interdisciplinare lanciata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per realizzare batterie di nuova generazione. Coates e il suo team stavano lavorando per sviluppare polimeri sostenibili che possono essere utilizzati nell'immagazzinamento dell'energia e nei materiali di conversione quando hanno realizzato il loro polimero:poli(1, 3-diossolano) o PDXL—era adatto per creare un materiale termoplastico—un materiale con proprietà che ne consentono la fusione, riciclato e rimodellato.

I ricercatori hanno costruito il loro polimero da un monomero acetalico ciclico chiamato diossolano, che è sintetizzato da formaldeide potenzialmente biorinnovabile e materie prime di glicole etilenico. I poliacetali sono ottimi candidati per la creazione di materiali termoplastici riciclabili perché sono stabili fino a 300 gradi Celsius, ma depolimerizza a temperature relativamente basse, solitamente inferiori a 150 gradi Celsius, in presenza di un catalizzatore acido. Sono anche poco costosi e possono essere di origine biologica. Però, i poliacetali non sono stati utilizzati in precedenza perché le catene polimeriche sono generalmente troppo corte per ottenere la resistenza meccanica necessaria per le applicazioni commerciali.

"Volevamo sviluppare un nuovo modo di produrre poliacetali che ci desse il controllo sulla lunghezza delle catene polimeriche, " ha detto Abele. "Alla fine, siamo stati in grado di produrre poliacetali ad alto peso molecolare che erano sorprendentemente duttili e resistenti rispetto ai loro più fragili, controparti a basso peso molecolare."

"Se vuoi fare una tazza che non si rompa quando la pieghi, devi avere un peso molecolare davvero alto, "ha detto Coates.

Utilizzando un processo chiamato polimerizzazione con apertura dell'anello cationico a disattivazione reversibile, i ricercatori sono stati in grado di collegare i monomeri in lunghe catene di PDXL che hanno un alto peso molecolare e un'elevata resistenza alla trazione.

Il materiale termoplastico risultante è sufficientemente resistente e flessibile da poter essere utilizzato per applicazioni su larga scala come i prodotti per l'imballaggio. Il team ha dimostrato questo potenziale creando diversi prototipi di articoli, compresi sacchetti protettivi, imballaggi sagomati e cuscini gonfiabili del tipo che Amazon usa per imbottire le loro scatole.

"Proprio adesso, quasi il 40% della plastica viene prodotta per il confezionamento di prodotti che vengono utilizzati brevemente e poi smaltiti, " ha detto Snyder. "PDXL ha la forza necessaria per il confezionamento, ma invece di buttarlo via, possiamo raccoglierlo e riutilizzarlo utilizzando un processo di riciclaggio chimico molto efficiente. Questo lo rende un candidato perfetto per un'economia circolare dei polimeri".

Il processo di riciclaggio è così efficiente che il PDXL può anche essere depolimerizzato da miscele complesse di rifiuti di plastica. Il team ha mescolato PDXL con altre materie plastiche come il polietilene tereftalato, polietilene e polistirolo. Dopo aver applicato un catalizzatore acido riutilizzabile e calore, sono stati in grado di recuperare il 96% del puro diossolano monomero, dimostrando che può essere facilmente isolato da contaminanti comuni come coloranti e plastificanti. Il monomero recuperato è stato quindi ripolimerizzato a PDXL, illustrando la circolarità del riciclaggio chimico del poliacetale.

Ciò indica l'attributo più significativo del polimero:la sua sostenibilità.

"Ci vogliono molti combustibili fossili per produrre queste plastiche, e l'impronta di carbonio del comune polietilene o polipropilene è davvero pessima. Quindi dobbiamo essere migliori nel modo in cui li realizziamo, " ha detto Coates. "Se puoi avere un modo per riciclare chimicamente il polimero, non andrà nell'oceano, Giusto? E poi invece di usare tutta questa energia per estrarre il petrolio dal terreno e romperlo in piccoli pezzi e spendere tutta questa energia, tutto quello che dobbiamo fare è scaldare il polimero e boom, abbiamo di nuovo un monomero."