Nieuwe kunststoffamilie breekt af in zeewater

In Japan is een familie kunststoffen ontwikkeld die afbreken in zeewater. Volgens de wetenschappers zijn de plastics ‘net zo sterk als conventioneel plastic’ en ook biologisch afbreekbaar op land.

De onderzoekers van het Japanse Riken Center for Emergent Matter Science (CEMS) publiceerden hun bevindingen in Science.

Huidige biologisch afbreekbare kunststoffen zoals PLA kunnen niet worden afgebroken in rivieren en zeeën omdat ze onoplosbaar zijn in water. Takuzo Aida en zijn team richtten zich op het oplossen van dit probleem met supramoleculaire kunststoffen: polymeren met structuren die bij elkaar worden gehouden door omkeerbare interacties.

Ze combineerden twee ionische monomeren die vernette zoutbruggen vormen voor een sterk en flexibel geheel. In de eerste tests werd natriumhexametafosfaat gekoppeld aan een guanidinium-ion-gebaseerd monomeer. Beide monomeren kunnen worden gemetaboliseerd door bacteriën, wat zorgt voor biologische afbreekbaarheid zodra de kunststof is opgelost in zijn componenten.

Sterke cross links

“Hoewel men dacht dat de omkeerbare aard van de bindingen in supramoleculaire kunststoffen ze zwak en instabiel maakt”, zegt Aida, “zijn onze nieuwe materialen precies het tegenovergestelde. In het nieuwe materiaal is de structuur van de zoutbruggen onomkeerbaar, tenzij ze worden blootgesteld aan elektrolyten zoals die in zeewater.” De belangrijkste ontdekking was hoe deze selectief onomkeerbare dwarsverbindingen gecreëerd konden worden.

Nadat de twee monomeren in water waren gemengd, zagen de onderzoekers twee gescheiden vloeistoffen. De ene was dik en viskeus en bevatte de belangrijke constructieve vernette zoutbruggen, terwijl de andere waterig was en zoutionen bevatte. Het uiteindelijke plastic, alkyl SP₂, werd gemaakt door te drogen wat er in de dikke viskeuze vloeistoflaag overbleef.

Zouten en ontzouten

Het ‘ontzouten’ bleek de cruciale stap te zijn; zonder dit was het resulterende gedroogde materiaal een bros kristal, ongeschikt voor gebruik. Door het plastic opnieuw te zouten door het in zout water te leggen, werden de interacties omgedraaid en de structuur van het plastic in enkele van uren gedestabiliseerd.

Vele variëteiten

Toen ze een sterk en duurzaam plastic hadden dat onder bepaalde omstandigheden kan worden opgelost, testten de onderzoekers de andere eigenschappen. De nieuwe kunststoffen zijn volgens de makers niet-giftig en niet-ontvlambaar en kunnen worden vervormd bij temperaturen boven 120 °C, net als andere thermoplasten. Met verschillende soorten guanidiniumsulfaten zijn kunststoffen gegenereerd met verschillende hardheden en treksterktes. Dit betekent dat het nieuwe type kunststof kan worden aangepast aan de behoefte; harde, krasbestendige kunststoffen, rubberachtige siliconenachtige kunststoffen, sterke, gewichtdragende kunststoffen of flexibele kunststoffen met een lage treksterkte zijn allemaal mogelijk.

De onderzoekers creëerden ook de in de oceaan afbreekbare kunststoffen met behulp van polysacchariden die vernette zoutbruggen vormen met guanidiniummonomeren. Kunststoffen zoals deze kunnen worden gebruikt in 3D-printen en in medische of gezondheidsgerelateerde toepassingen.

Mest

Ten slotte onderzochten de onderzoekers de recyclebaarheid en biologische afbreekbaarheid van de nieuwe kunststoffen. Nadat ze het oorspronkelijke nieuwe plastic in zout water hadden opgelost, konden ze 91% van het hexametafosfaat en 82% van het guanidinium als poeders terugwinnen, wat aangeeft dat recycling eenvoudig en efficiënt is. In de grond werden de vellen van het nieuwe plastic in 10 dagen volledig afgebroken, waardoor de grond werd voorzien van fosfor en stikstof, vergelijkbaar met meststof.

“Met dit nieuwe materiaal hebben we een nieuwe familie van plastics gecreëerd die sterk, stabiel, recyclebaar zijn, meerdere functies kunnen vervullen en, belangrijker nog, geen microplastics genereren”, zegt Aida.