עיצוב תוספת פולימרים עם עצמיות וסיכויים הניתנים למחזור עבור מטרות קיימות

תוספת פולימרים: הקרן של חומרים מודרניים

(הופנה מהדף « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

דחיפה לתכנון פולימרים בר קיימא מונעת משני ההקצאות הסביבתיות והלחץ הרגולטורי.קרן אלן מקארתור מעריכה שרק 14% מאריזות הפלסטיק נאספים למחזור ברחבי העולם, והרבה מזה מסולק. תוספת פולימרים עצמיים יכולים להפחית את תדירות ההחלפה, בעוד שגרסאות מחזוריות ניתן לעבד לתוך חומרים באיכות בתולה.

הבנה של הפולימריזציה וההשלכות השבריריות שלה

הוספת הפולימרים מתקדמת באמצעות התכה, התגרות, והשלמת השלבים.הפולימרים המתקבלים בדרך כלל יש שרשרת ליניארית או מעונף עם עצמות אחוריות חזקות קוה-שוויון. בניגוד לפולימרים של מזהמים, בנוסף לפולימרים חסרי קישורי מעבדה כגון esters או amides שניתן בקלות לספוג.יציבות מבנית זו היא יתרון לביצועים אך בעייתית עבור מחזור: פשוט התכה ושיקום מוביל השפלה לנפיחות.

תכונות מבניות מפתח המשפיעות על מחזוריות ועל הסתמכות עצמית כוללות:

(FLT:0) קריסטליניות: FLT:1 פולימרים גבישיים גבוהים כמו פוליאתילן בעלות ברית גבוהה (HDPE) מפגינים כוח מכני גבוה אך ניידות שרשרת מוגבלת, מה שהופך את עצמו קשה.
(ב) ,0) הטמפרטורה של המעבר (TFLT: 1 ⁇ :2): ⁇ FLT 3: פולימרים עם TigFLT:4gigtureFLT:5 מתחת לטמפרטורת החדר (למשל, אלסטומרס) יכולים לרפא יותר בקלות בתנאים נוחים.
משקל מולקולרי גבוה (FLT:0) ומשקל על ידי ספירת משקל: 1 (FreaLT:1) משקל מולקולרי גבוה משפר תכונות מכניות אך מגביר את הגמישות ההיתוך, מה שהופך את השיפוץ.

גורמים אלה יוצרים מתח עיצוב: אותם תכונות שנותנות תוספת פולימרים שלהם גם מציבות מכשולים קיימות.התגברות על זה דורש הנדסה מולקולרית מתוחכמת.

מנגנונים עצמיים בהוספת פולימרים

תוספת עצמית פולימרים יכולה לתקן נזק אוטונומי - סדקים, שריטות או טיהור - להחזיר שלמות מכנית ולמנוע כשלון קטסטרופלי. 2 גישות רחבות לשלוט בספרות:0extrinsicuaFLT:1 ו-FLT:2intrinsicFLT 3.

השתקפות עצמית: סוכני ריפוי מחוסנים

ב- extrinsic Systems, סוכני ריפוי מאוחסנים במיקרו-פטרולים או סיבים חלולים מפוזרים במחזורי הפטרייה פולימר (כאשר פצח, הוא מקלקל את הקפסולות, משחרר מונומר או צולב אשר ממלא את הגישה הפטרונית של זרז (Richardstation) לאחר מכן מעורר פולימרוליזציה, מחזר את פני השטח השבויים.

השתקפות עצמית פנימית: דינמי קוהנדס בונדs וכימיה Supramolecular

שאיפת העצמי הפנימית מבוססת על אג"ח כימיות ניתוק בתוך רשת פולימרים שיכולה לפרוץ ורפורמה תחת גירויים מתאימים (חום, אור, pH) לפולימרים, כימאים מרכזיים כוללים:

החלפת ההרחבה:0 (Disulfide:0)FLT:1reaol-disulfide מאפשר מחזורי ריפוי מרובים. Polymers עם קישורים מסולפים המשולבים לתוך עמוד השדרה ניתן לרפא בטמפרטורות קלות (60 עד 100 מעלות צלזיוס).
(ד) [13] ⁇ ⁇ :0 (D) , ⁇ :0) ,0 (D) , איגרות חוב ; טמפרטורות גבוהות (120 ° C), התוספת (retro-DA); על קירור, הם מחדש טופס.זה נעשה שימוש במערכות פוליאורתאן ופוליטוריטרימורטי כדי להשיג ריפוי חוזר.
(FLT:0) Transesterification:FLT:1 Vitrimers - פולימרים שיכולים לעבור החלפת אג"ח ללא מפועשציה - יכולים לזרום מחדש לרפא. Addition פולימרים המבוססים על אג"ח ester דינמי דווחו בחומרים דמויי פוליאתילן.
(ב) [ה]: [ה] [ה]]: [ה] [ה]] מְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִית], [ה], [הִנְיִדְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיר],] אִתָּבְתָּבְתָּבְתָּעָה [הָבְתָּבְתִּים],],], [הָבְתּבְתּבְתָּבְתּבְתָּבְּבְתּבְתָּבְתּבְתּבְָּבְָּבְהִנִנִנּבְהִנִנִנְהָבְתָּבְּבְָּבְתָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְָּב

מערכות אינטרינריות מציעות מחזורי ריפוי מרובים ולהימנע ממיצוי של סוכני ריפוי, מה שהופך אותם מתאימים יותר ליישומים ארוכי ימים.עם זאת, הם לעתים קרובות דורשים כוונון זהיר של דינמיקת האג"ח כדי לאזן את מהירות הריפוי עם יציבות ממדית תחת עומס.

אסטרטגיות לתוספת פולימרים

החלפה של פולימרים היא מאתגרת כי האג"ח C-C החזק מתנגד לדה-מחדש מכני - מניקה, מתמוססת, עיבוד מחדש - מוביל לנפיחות שרשרת ואובדן רכוש (החליפה) כדי להשיג FLT:0 Chemical recycling FLT:1 בחזרה למונומרים או oligomers יקר ערך, עיצובים אלטרנטיביים נדרשים.

תוספת משמעותית לפולימרים

גישה אחת היא להציג קישורים חלשים כי ספוג בתנאים ספציפיים.לדוגמה, פולי(α-methylstyrene) מתמוססים בטמפרטורות תקרה נמוכות יחסית (60 ° C), אבל תכונות מכניות שלה הן עניות.מערכות מעשיות יותר בשימוש (FLT:0switchablesFLT:1: פולימרים מוכנים עם זרז שיכול להיות מופעל באופן פריך כדי להוכיח את הפולימרון (Fears) ב-Aptensulfon-Ren-R) ב-R.

אסטרטגיה נוספת היא שילוב של אג"ח נטולי גזע (FLT): אג"ח יציבים במהלך השימוש אך מדביקים תחת גירויים כימיים קלים.קשרי אצ'סטל, למשל, מידרדרים בתנאים חומציים.פוליציסטלים הם תוספת פולימרים שניתן לגוון את הפולימרים שלהם (למשל, טריקסאן) במים חומציים.

גישה ליעילות

(Virimers הם בנוסף פולימרים עם דינמיקה קוונדקטורים שיכולים לעבור החלפת אג"ח אסימטיבית ללא הקלה להיות מלוכדת.בטמפרטורות גבוהות, את רצפי הרשת, המאפשר עיבוד מחדש כמו thermoset אבל עם יכולת חוזרת.בניגוד thermoplastics, vitrimers לשמור על המבנה שלהם עד החלפת האגמים, viters המבוססים על TRAMALORLORNIC (R) או LTT) LTT) LTT) LTT (R.

הגישה vitrimer מציעה את הטוב ביותר של שני העולמות: ההתנגדות המפת והתנגדות המצטפת של תרמוספרים עם מחזוריות של תרמופלסטים.עם זאת, הצורך בזרזים וטמפרטורות גבוהות (בדרך כלל > 160 מעלות צלזיוס) עשוי להגביל את יכולת הסקאלה המעשית.

עקרונות עיצוב לשלב את ההולכות העצמי ואת הגמישות

חדור הן למחזור עצמי והן למחזוריות לתוך פולימר תוספת אחת דורש איזון זהיר. פולימר שמרפא שוב ושוב לא יכול להשמיץ בקלות, ופולימר שמרתיע בקלות עשוי להיות בלתי יציב בשירות.המפתח הוא להשתמש ב-FLT:0orthogonal דינמיriesFreaLT:1 - שני מנגנונים שונים שלא לפעול בתנאים מופרכים.

(FLT:0) אג"ח דינמי אחד, שני פונקציות:FLT:1 כמה אג"ח בלתי הפיך יכול לשרת הן ריפוי והן מחזור.לדוגמה, אג"ח דיסלוף מאפשר ריפוי באמצעות החלפת בטמפרטורת החדר, וניתן לספוג באופן מופחת כדי להניב מונומרנים על מנת לחזר מחדש.
(FLT:0) רשתות דינמיות דינמיות: 1FLT השתמש בשתי אינטראקציות נפרדות - אחת לריפוי (לעתים קרובות העליונות) ואחד עבור depolymerization (למשל, הידרוליזה אצטית) מנגנון הריפוי לא צריך להפריע עם הגורם הדפלימיזציה.
(FLT:0) ⁇ healing vitrimers:FLT 1 A vitrimer רשת אשר מרפא באמצעות חילופי האג"ח הוא עיבוד מטבעו של דבר, עם זאת, הטמפרטורה הריפוי חייבת להיות נמוכה יותר מאשר הטמפרטורה המחודשת. לדוגמה, זרם טרנססטרציה עשוי לרפא 120 מעלות צלזיוס ומעבד מחדש ב 200 מעלות צלזיוס.

מחקרים והתקדמות אחרונה

Polyethylene עם Photoreversible Crosslinks

ב-2023, החוקרים ב-MIT דיווחו על נגזרת פוליתילן המכילה קבוצות אנת'סטריון חודרות.על רקע ה-UV, anthracene dimerize, crosslinking the Poly.The crosslinks ניתן לניתוק תחת אור UV שונה, המאפשר הן self-healing (דימציית מילוי סדקים) ו depomerization תרמי.

Polystyrene Copolymers

צוות באוניברסיטת פרייבורג פיתח פוליסטיילריני-מניד copolymers עם דילס-אלדר מבוסס פרוגן להוסיף הזטס.הפולימר ריפאציה ב 80 מעלות צלזיוס ויכול להיות מועשר ב-150 מעלות צלזיוס באמצעות תגובה רטרו-DA. שילוב של סינגורול בעל יכולת מכנית ביולוגית ללא הקרבה.

פוליאולפין ויטריסים מפסולת

התקדמות מתבצעת גם על ידי מחסנים שלאחר-consumer ממוחזר (PCR) פוליאולfins. על ידי עקרות ארקדיות דינמיות boronic ester אג"ח על בסיס פוליפרופילן אחורי, החוקרים יצרו רשתות vitrimer כי-heal וניתן לעבד מחדש מספר פעמים.אפילו degraded פוליפרופילן מפסולת מעורבת יכול להיות rejuvenated, שמירה על 80% של עשרות אלפיות לאחר 3 מחזורים מתקדמים (F: 20: Fentered חומרים: RSTR)

אתגרים ומסחר

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה מחסומים מונעים אימוץ נרחב:

(ב) ביצועים מכניים:0 (FLT:1) היכרות עם אג"ח דינמי לעתים קרובות מפחיתה קשיחות, עמידות חולפת וכוח. עבור יישומים נושאי עומס, החומר חייב עדיין לעמוד בסטנדרטים הנדסיים.FLT:2Nanocomposite חיזוקFLT 3: (למשל, עם ננוקריסטלים או גרפן) עלולים לאבד את העלות.
מורכבות:0 (FLT:1healing פולימרים עצמיים דורשים שליטה מדויקת על צפיפות האג"ח והפצה.שילוב בקנה מידה תעשייתי של microcapsules או שיבוש של קבוצות דינמיות מוסיף פעולות ייצור אשר עשוי להיות לא יעיל מבחינה כלכלית עבור פולימרים סחורות.
(FLT:0) רגישות טמפרל: 1FLT:1 מנגנונים רבים של מנגנוני הפחתת העצמי דורשים חום, אשר עשוי להיות לא מעשי בשירות.ריפוי בטמפרטורה החדר הוא מעדיף אך לעתים קרובות איטי יותר.
(FLT:0) הערכה של מחזור חיים: 1FLT:1 היתרונות הסביבתיים של פולימרים עצמיים תלויים במספר מחזורי הריפוי המובשמו בפועל.אם הפולימרים נכשלים לפני שהוא יכול לרפא, המורכבות הנוספת אינה מניבה רווח נטו.

בעיה קריטית נוספת היא קשקשים. כימאים דינמיים שעובדים בקנה מידה מעבדה (גרם) לעתים קרובות נכשלים בכורים בקנה מידה קילוגרם עקב הגבלת העברת חום או פיזור זרז.

כיוונים עתידיים וקרנות מחקר

כדי להעביר חומרים אלה מתחנות מעבדה למציאות מסחרית, כמה זרמי מחקר הם חיוניים:

(FLT:0) תכנון עבור זרזים כפולים: זרז רב תפקודית ( Multifunctional) אשר מקדם הן פולימריזציה והן depolymerization בתנאים שונים יכול לפשט את העיבוד.
(ב) ,0) למידה של תגליות פולימריות: FLT:1 הקרנה גבוהה של שילובים מונומר וזוגות אג"ח דינמי יכול להאיץ זיהוי של מבנים אופטימליים.
(FLT:0) אינטגרציה עם חומרים מזינים מתחדשים: OVAFLT:1) שילוב של פולימרים עצמיים-המחזוריים עם מונומרים המבוססים על ביו (למשל, חומצה איקונית, חומצה פרוונדקטורקסילית) יכול להוריד עקבות פחמן. Lignin-derived monomers מבטיח במיוחד בגלל קבוצות ארומטיות ופונקציונליות שלהם.
(ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[1924]] [[1924]] [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]]]
(FLT:0)Standards ופרוטוקולים: ההרחבה 1 (FLT:1) השדה חסר שיטות סטנדרטיות למדידת יעילות של השמצה עצמית, מחזוריות ויציבות. אימוץ על ידי התעשייה דורש מדדים קונצנזוס.

תפקידה של מדיניות וכלכלה

אפילו הכימיה הפולימרית המתקדמת ביותר לא תפורש ללא אפשרות למסגרות כלכליות ורגולטוריות.תוכניות היצרן המורחבת (EPR) המסמלות עמלות המבוססות על מחזוריות יכולות לתגמל יצרנים באמצעות חומרים אלה. זיכויים במס עבור תשתיות מיחזור כימי יעזרו להוריד עלויות הון.בינתיים, איסורים על פלסטיק לשימוש יחיד ומנדטים עבור תוכן ממוחזר באריזות (כפי שנראה באיחוד האירופי) ליצור משיכה בין האקדמיה, שיתוף פעולה, קובעי מדיניות מעבר חיונית כדי להאיץ את קובעי מדיניות מעבר.

מפת דרכים לקראת תוספת בר קיימא פולימרים

הוספת פולימרים עם יכולות של הסתמכות עצמית ומחזוריות מייצגים שינוי פרדיגמה: מחומרים חד-פעמיים ועד משאבים עמידים, הסתגלותיים. על ידי הטמעת כימיה הפוכה לתוך עמוד השדרה או ממטריקס פולימר, אנו יכולים ליצור חומרים שתיקון נזק אוטונומי, ובסופו של דבר, לחזור אבני הבניין שלהם לשימוש מחדש.

התחום עדיין מוצץ.מרבית המערכות בספרות משיגות את אחת משתי היכולות היטב, אך לא גם עם יעילות גבוהה בתנאים מעשיים.אך קצב הגילוי הוא מאיץ.התקדמות בכימיה דינאמית, עיצוב vitrimer, ו depolymerization Catalysis מתכנסים לייצור חומרים שניתן לסווגם בתוך העשור הבא.

כדי לממש את הפוטנציאל המלא, החוקרים חייבים לאמץ מערכות חשיבה: עיצוב לא רק פולימר אלא גם תהליך מחזור, שיטת הייצור, מחזור החיים של המוצר. self-healing and recyclability אינם תכונות מתחרות; כאשר משולבים באופן מחשבה, הם עמודי עמוד משלימים של כלכלה מעגלית.המטרה היא בהישג יד, אלא היא דורשת השקעה מתמשכת בכימיה בסיסית, תהליך הנדסי, ושיתוף פעולה חוצה-מגזר.