A edição de polímeros pode transformar resíduos em plásticos de alto desempenho

Ao editar os polímeros de plásticos descartados, os químicos do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, encontraram uma maneira de gerar novas macromoléculas com propriedades mais valiosas do que as do materials inicial. A reciclagem pode ajudar a remediar os cerca de 450 milhões de toneladas de plástico descartados anualmente em todo o mundo, dos quais apenas 9% são reciclados; o restante é incinerado ou vai parar em aterros sanitários, nos oceanos ou em outros lugares.

A invenção do ORNL pode mudar o destino ambiental do plástico ao reorganizar os blocos de construção poliméricos para personalizar as propriedades dos plásticos. As subunidades moleculares se ligam para produzir cadeias poliméricas que podem se conectar através de suas estruturas e moléculas reticuladas para formar plásticos multifuncionais. A composição das cadeias poliméricas determina quão fortes, rígidos ou resistentes ao calor serão esses plásticos.

A edição molecular é tão promissora que serviu de base para dois Prêmios Nobel de Química. Em 2005, o prêmio foi para os desenvolvedores da reação de metátese, que quebra e forma ligações duplas entre átomos de carbono em anéis e cadeias para que suas subunidades possam trocar para criar novas moléculas limitadas apenas pela imaginação. Da mesma forma, em 2020, o prêmio foi para os desenvolvedores do CRISPR, “tesouras genéticas” para edição de filamentos de DNA, biopolímeros feitos de subunidades de nucleotídeos que carregam o código da vida.

“Este é o CRISPR para edição de polímeros”, disse Jeffrey Foster, do ORNL, que liderou um estudo que foi publicado em Jornal da Sociedade Química Americana. “No entanto, em vez de editar cadeias de genes, estamos editando cadeias poliméricas. Este não é o típico cenário de reciclagem de plástico do tipo “derreter e esperar pelo melhor”.

Os pesquisadores do ORNL editaram com precisão polímeros básicos que contribuem significativamente para o desperdício de plástico. Em alguns experimentos, os pesquisadores trabalharam com polibutadieno macio, comum em pneus de borracha. Em outros experimentos, eles trabalharam com acrilonitrila butadieno estireno resistente, materiais de brinquedos de plástico, teclados de computador, tubos de ventilação, capacetes de proteção, acabamentos e molduras de veículos e utensílios de cozinha.

“Este é um fluxo de resíduos que não é realmente reciclado”, disse Foster. “Estamos abordando um componente significativo do fluxo de resíduos com esta tecnologia. Isso causaria um impacto muito grande apenas pela conservação de massa e energia de materiais que agora vão para aterros sanitários.”

A dissolução dos polímeros residuais é o primeiro passo na criação de aditivos para a síntese de polímeros. Os pesquisadores trituraram polibutadieno sintético ou comercial e acrilonitrila butadieno estireno e mergulharam o materials em um solvente, o diclorometano, para conduzir uma reação química em baixa temperatura (40 graus Celsius) por menos de duas horas.

Um catalisador de rutênio facilitou a polimerização ou adição de polímero. As empresas industriais têm utilizado este catalisador para fabricar plásticos robustos e para converter biomassa, como óleos vegetais, em combustíveis e outros compostos orgânicos de alto valor, sem dificuldade, destacando o potencial para a sua utilização na reciclagem química.

Os blocos de construção moleculares da estrutura do polímero contêm grupos funcionaisou aglomerados de átomos que servem como locais reativos para modificação. Notavelmente, o ligações duplas entre os carbonos aumentam as possibilities de reações químicas que permitem a polimerização. Um anel de carbono se abre em uma ligação dupla para criar uma cadeia polimérica que cresce à medida que cada unidade polimérica funcional entra diretamente, conservando o materials. O aditivo plástico também ajuda a controlar o peso molecular do materials sintetizado e, por sua vez, as suas propriedades e desempenho.

Se esta estratégia de síntese de materiais pudesse ser expandida para uma gama mais ampla de polímeros industrialmente importantes, então poderia revelar-se um caminho economicamente viável para a reutilização de materiais de fabrico que hoje só podem ser utilizados num único produto. Os materiais reciclados podem ser, por exemplo, mais macios e elásticos do que os polímeros originais ou, talvez, mais fáceis de moldar e endurecer em produtos termofixos duráveis.

Os cientistas reciclaram resíduos de plástico empregando dois processos em conjunto. Ambos são tipos de metátese, o que significa uma mudança de lugar. As ligações duplas se quebram e se formam entre os átomos de carbono, permitindo a troca de subunidades do polímero.

Um processo, denominado polimerização por metátese com abertura de anel, abre os anéis de carbono e os alonga em cadeias. O outro processo, denominado metátese cruzada, insere cadeias de subunidades poliméricas de uma cadeia polimérica em outra.

A reciclagem tradicional não consegue captar o valor dos plásticos descartados porque reutiliza polímeros que se tornam menos valiosos através da degradação a cada fusão e reutilização. Por outro lado, o upcycling inovador do ORNL utiliza os blocos de construção existentes para incorporar a massa e as características do materials residual e fornecer funcionalidade e valor agregados.

“O novo processo tem alta economia de átomos”, disse Foster. “Isso significa que podemos recuperar praticamente todo o materials que colocamos.”

Os cientistas do ORNL demonstraram que o processo, que utiliza menos energia e produz menos emissões do que a reciclagem tradicional, integra eficientemente os resíduos sem comprometer a qualidade do polímero. Foster, Ilja Popovs e Tomonori Saito conceituaram as ideias do artigo. Nicholas Galan, Isaiah Dishner e Foster sintetizaram subunidades de monômeros e otimizaram sua polimerização. Joshua Damron realizou experimentos de espectroscopia de ressonância magnética nuclear para analisar a cinética da reação. Jackie Zheng, Chao Guan e Anisur Rahman caracterizaram as propriedades mecânicas e térmicas dos materiais finais.

“A visão é que este conceito possa ser estendido a qualquer polímero que tenha algum tipo de grupo funcional de base para reagir”, disse Foster.

Se ampliados e expandidos para empregar outros aditivos, lessons mais amplas de resíduos poderiam ser extraídas para obter blocos de construção moleculares, reduzindo drasticamente o impacto ambiental de outros plásticos difíceis de processar. A economia round – na qual os resíduos são reaproveitados em vez de descartados – torna-se então um objetivo mais realista.

Em seguida, os pesquisadores estão interessados ​​em alterar os tipos de subunidades na cadeia polimérica e reorganizá-las para ver se podem criar materiais termofixos de alto desempenho. Exemplos são resinas epóxi, borracha vulcanizada, poliuretano e silicone. Uma vez curados, os materiais termofixos não podem ser fundidos ou remodelados porque sua estrutura molecular é reticulada. Isso torna a sua reciclagem um desafio.

Os pesquisadores também estão interessados ​​em otimizar solventes para a sustentabilidade ambiental durante o processamento industrial.

“Será necessário algum pré-processamento nesses resíduos de plástico que ainda precisamos descobrir”, disse Foster.