Műanyaghulladékból szuperragasztó: A DOE Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumának forradalmi felfedezése

A műanyaghulladékok globális válságára keresett megoldást az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) laboratóriuma, amikor a kutatók véletlenül egy olyan anyagot hoztak létre, amely forradalmasíthatja a többmilliárd dolláros ragasztópiacot. Az új technológia által előállított szuperragasztó a kereskedelmi epoxigyantákat is felülmúlja, ráadásul még a víz alatt is tökéletesen tapad.

A globális PET-krízis számokban

A műanyagszennyezés folyamatosan növekvő probléma, a műanyagok globális gyártása 2050-re várhatóan megduplázódik. Bár a papír és az üveg hatékonyan újrahasznosítható, a műanyagok esetében a hagyományos mechanikai újrahasznosítás minden egyes alkalommal csökkenti az anyag értékét. Ennek eredményeként a hulladék túlnyomó része soha nem kerül újrahasznosításra.

Különösen igaz ez a polietilén-tereftalát (PET) esetében, amely az új típusú újrahasznosítási módszerek ideális jelöltje lenne. Jelenleg 25 milliárd tonna PET található a világon, és évente további 70 millió tonnát gyártanak. A PET teszi ki a globális műanyaghulladék mintegy 12 százalékát, miközben csupán 20 százalékát hasznosítják újra. Mary Danielson kutató és mentora, Anisur Rahman célja az volt, hogy a hagyományos mechanikai folyamatokon túllépve olyan eljárást dolgozzanak ki, amely visszaadja vagy megnöveli a műanyaghulladék értékét.

A kísérlet: 180 Celsius-fok és egy sárga folyadék

A műanyagok polimerekből állnak, ami sokoldalú felhasználást tesz lehetővé, ugyanakkor megnehezíti az újrahasznosításukat. A mechanikai aprítás idővel úgy bontja fel ezeket a polimereket, hogy nem rakhatók újra össze. A kutatócsapat dinamikus kovalens kötések – hő vagy fény hatására felbomló és újraformálódó kapcsolatok – alkalmazásával igyekezett kémiailag lebontani és új anyaggá alakítani a hulladékot, úgy, hogy az elemek legókockákhoz hasonlóan újraépíthetők legyenek.

A folyamat során elkerülték a drága katalizátorokat, és helyettük kereskedelmi forgalomban kapható aminokat (nitrogéntartalmú vegyi csoportokat) használtak, amelyek költséghatékonnyá tették az eljárást. A kísérlet során az amint egy műanyag tojástartóhoz adták, majd 180 Celsius-fokra (365 Fahrenheit) hevítették. Körülbelül hét óra elteltével a műanyag lebomlott. A lepárlás és tisztítás után a kutatók egy sárgás, viszkózus folyadékot kaptak.

Amikor a hiba funkcióvá válik: A fém, amely „felénekel”

A kinyert folyadék olyannyira tapadt, hogy Danielson nem tudta eltávolítani a mérőeszközökről. Miután Rahman javaslatára ezt a tulajdonságot nem hibaként, hanem funkcióként kezdték el vizsgálni, a csapat kifejlesztett egy térhálósító anyagot, amely lehetővé tette a folyadék megkötését és száradását.

A ragasztók egyik standard tesztje során két fémlemezt illesztettek össze az új anyaggal, majd egy mérőműszer megpróbálta széthúzni őket. A teszt annyira jól sikerült, hogy az anyag elválasztásakor a fém valósággal „felénekelve” adott ki hangot a hatalmas feszültség miatt. Amikor Rahman megvizsgálta az adatokat, megállapította, hogy az eredmény „nagyon, nagyon jó”.

A tengeri kagylók titka és a víz alatti alkalmazás

Mivel a legtöbb ragasztó víz alatt használhatatlan – ami megnehezíti a hajótestek, csővezetékek és tenger alatti távközlési kábelek javítását –, Rahman víz alatti tesztelést javasolt. Bár a folyadékot eredetileg is vízzel csapatták ki, az eredmény minden várakozást felülmúlt.

A titok a különleges kémiai szerkezetben rejlik, amely a tengeri kagylók sziklákhoz való tapadási mechanizmusához hasonlít. A sárga folyadék magja hidrofób (víztaszító), míg a kémiai „karok” hidrofilek (vízvonzók). A térhálósító szintén rendelkezett hidrofób és hidrofil részekkel. A kettő keverésével egy olyan hálózat jött létre, amely összeköti a felületeket, miközben megakadályozza a víz beszivárgását. Ezt a DOE „Center for Nanophase Materials Sciences” létesítményének berendezéseivel tudományosan is megerősítették.

A szuperragasztó lehetőségei és a jövő innovációi

A kifejlesztett sokoldalú, kemény ragasztó fán, üvegen, fémen és papíron egyaránt működik, száraz és nedves környezetben (édesvízben és tengervízben), sőt magas nyomáson és szerkezeti alkalmazásoknál is megállja a helyét. Eltávolítható és újra felhordható, ami csökkenti a hulladékot és megkönnyíti a hibák javítását. Előállításához ráadásul nincs szükség tiszta, átlátszó PET-re: a kutatók vegyes hulladékot, például tojástartót, szövetet és vizespalackokat használtak fel.

A folyadék és a térhálósító arányának finomhangolásával a csapat képes a teljesítményt a különböző környezetekhez igazítani, valamint egy hatékony, stabil „vitrimer” műanyagot is létrehozni. Ez utóbbi nagyobb szakítószilárdsággal és szívóssággal rendelkezik, mint az eredeti műanyag, továbbá szénszállal keverve az újrahasznosítási folyamat során gazdaságosan visszanyerhető.

A kutatók eddig két tanulmányt publikáltak, és szabadalmi kérvényt nyújtottak be. Danielson (aki jelenleg a Tennessee-i Egyetem kutatója) és Rahman folytatják a munkát: jelenleg azon dolgoznak, hogy az eljárással gyengébb, ideiglenes kötéseket (eltávolítható címkéket és kötszereket) hozzanak létre, valamint eltérő anyagokat ragasszanak össze, ami az autóipar egyik legnagyobb kihívása.

🔗 Hivatalos források és hivatkozások: 👉 

Eredeti cikk: https://www.newswise.com/doescience/stories-behind-the-science-transforming-garbage-into-glue/?article_id=852468&sc=rsla

Hivatalos állami forrás (DOE): https://www.energy.gov/science/articles/stories-behind-science-transforming-garbage-glue