Atık Plastiğin Yapısal Yapıştırıcıya Dönüşümü
Energy’s Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, yaygın bir ev plastiğini, nadir görülen bir güç ve süneklik kombinasyonuna sahip yeniden kullanılabilir bir yapıştırıcıya dönüştürmek için polimer kimyasını kullandı ve şimdiye kadar bildirilen en güçlü malzemelerden biri haline getirdi.
Science Advances’te yayınlanan çalışma, tek bir malzemede birleştirilmiş istenen özelliklere sahip yeni bir dayanıklı yapıştırıcı sınıfı tasarlamanın yollarını temelden geliştiriyor. Teknoloji, ağır yükleri taşımaya, aşırı stres ve ısıyı tolere etmeye ve cam, alüminyum ve çelik dahil olmak üzere çeşitli yüzeylere tersine çevrilebilir şekilde bağlanmaya uyum sağlar.
ORNL bilim insanı ve ilgili yazar Tomonori Saito, “Güçlü, sağlam yapıştırıcıların tasarlanması zordur çünkü tipik olarak uyumlu olmayan sert ve yumuşak özellikleri içermeleri gerekir” dedi. Epoksi gibi yapısal yapıştırıcılar, büyük ölçüde yük taşıma mukavemeti için tasarlanmıştır ancak tokluktan yoksundur; bu özellik, malzemelerin çekildiğinde veya gerildiğinde ani arızayı önlemek için stresi dağıtmasına yardımcı olan bir özelliktir.
“Zorluk, dayanıklılıktan ödün vermeden esnek malzemelerde elde ettiğiniz tokluğu eklemek oldu. Yaklaşımımız, mevcut malzemelerde görülmeyen olağanüstü özelliklere sahip yeni bir yapıştırıcı geliştirmek için dinamik kimyasal bağlar kullanıyor” dedi.
Araştırmacılar, bir meta termoplastik, polistiren-b-poli (etilen-ko-bütilen)-b-polistiren veya SEBS, işlenmesi kolay, ancak sert yapışma için tasarlanmayan kauçuksu bir polimer malzemeyi ileri dönüştürmeyi amaçladı. İleri dönüşümün amacı, gıda kapları, oyuncaklar ve ev eşyaları gibi genel ve genellikle tek kullanımlık uygulamalar için yüksek hacimde üretilen yaygın plastiklere değer katmaktır.
Ekip, SEBS’nin kimyasal yapısını dinamik çapraz bağlama ile değiştirerek, daha sağlam hale getirmenin yanı sıra, plastikler için geleneksel geri dönüşümün ötesinde, yeni ve özel uygulamalar için performanslarını artıran yeniden kullanım yolları oluşturdu. Çapraz
bağlama, daha kararlı özelliklere sahip malzemeler tasarlamak için bilinen bir stratejidir.
Yaklaşım, normalde uyumlu olmayan yapılar arasında bir köprü oluşturabilir. Çalışmada, SEBS’yi silika nanopartiküller veya polimerleri güçlendirmek için kullanılan bir dolgu malzemesi olan SiNP ile birleştirmek için boronik esterler kullanıldı.
Kombinasyon, yeni bir çapraz bağlı boronik ester-SiNP kompozit malzeme verir. Geleneksel çapraz bağlama tipik olarak yapışkanların (yerinden) çıkarılmasını veya yeniden işlenmesini önleyen kalıcı bağlarla sonuçlanır. Çalışma, boronik esterlerin “dinamik” veya tersine çevrilebilir çapraz bağlanmayı mümkün kıldığını ve yeni malzemenin güçlü yapışmasının yanı sıra geri dönüştürülebilirliğinin anahtarı olduğunu buldu.
Bu benzersiz kimyasal bileşikler, tekrar tekrar oluşturabilen ve kopabilen kararlı bağlar oluşturabilir; bu, onları sürdürülebilir malzeme tasarımı için çekici kılan sıra dışı bir özelliktir. ORNL’nin Kimya Bilimleri Bölümü’nde Saito ile birlikte çalışan baş yazar Md Anisur Rahman “Temel bir keşif, SEBS üzerindeki boronik esterlerin, zorlu işler için özellikleri
uyarlamak için SiNP üzerindeki hidroksil gruplarıyla (oksijen ve hidrojen) bağları yeniden düzenleyebilmesiydi. Hidroksil gruplarına sahip çeşitli yüzeylerde benzer tersinir boronik ester bağlarının oluşumunu da bulduk” dedi.
Bu iki katlı bulgu, yoğunluk fononel teorisi ile deneysel ve hesaplamalı olarak gözlemlendi. Sonuçlar, çapraz bağlı bağların, belirli özellikleri etkinleştirmek için malzeme içinde kaydığını ve yüzeylere o kadar güçlü bir şekilde yapıştığını gösterdi ki, ince bir santimetre kare yaklaşık 300 pound tutabilir. Malzemeleri kuvvetle ayırmaya çalışarak tokluğu ölçen kesme testleri, çalışmada test edilen tüm ticari yapıştırıcıları büyük ölçüde
aşan çizelgelerin dışındaydı.
Malzemenin cama yapışması o kadar zordu ki, numunenin bağı çözülmeden önce cam kırıldı. Yaklaşım ayrıca termal kararlılığı 400 derece Fahrenheit’e yükselterek yapıştırıcıyı ortam ve yüksek sıcaklık uygulamaları için çekici hale getirdi.
Olağanüstü yapışmaya ek olarak, sert malzemenin şaşırtıcı bir özelliği de geri dönüştürülebilir olmasıdır. Rahman, “Yüksek performanslı bir yapıştırıcının çıkarılabilir
olması nadirdir, ancak bizimki yeniden kullanım ve geri dönüştürülebilirlik için tasarlanmıştır” dedi. “Isı ve basınçla uygulanıp ayrılabilir ve birkaç kez tekrar kullanılabilir.”
Geliştirme, havacılık, otomotiv ve inşaat yapıştırıcılarına yönelik uygulamaları genişletiyor. “Kaynakları korumanın ve atıkları azaltmanın endüstriye ve çevreye faydaları var. Tasarım gereği, bu
yapıştırıcı onarım yapmanıza veya maliyetli hataları düzeltmenize olanak tanır ve çok zorlu uygulamalarda yeni kullanımlar için yeniden işlenebilir,” dedi.
Ekip, teknolojiyi ticarileştirmeyi planlıyor ve belirli yapıştırma yüzeyleri ve işlevleri için optimize edilmiş sağlam yapıştırıcılar geliştirmek için diğer dolgu maddeleriyle dinamik çapraz bağlamayı araştırıyor.
Kaynak
Md Anisur Rahman et al, Design of tough adhesive from commodity thermoplastics through dynamic crosslinking, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abk2451
Journal information: Science Advances
https://phys.org/news/2022-01-polymer-upcycling-common-plastic-toughness.html
