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Reinigen Sie die Ozeane: Zersetzung von Kunststoff durch Sonnenlicht



Eine der bedeutendsten Erfindungen für die moderne Gesellschaft ist Kunststoff, d.h. synthetische Polymere. Durch die Billigkeit, die einfache Herstellung und die Variabilität des Aussehens und der physikalischen Eigenschaften konnte sich Kunststoff mit unglaublicher Geschwindigkeit auf der ganzen Welt ausbreiten. Es gibt viele Arten von Kunststoffen, aber alle sind bis zu dem einen oder anderen Grad in unserem Leben jede Sekunde vorhanden, ob wir es wollen oder nicht: Schreibwaren, Autoteile, Haushaltsgeräte, medizinische Geräte, Spielzeug, Verpackungen von Lebensmitteln und Haushaltswaren usw. Natürlich führt eine derart weite Verbreitung dieses Wundermaterials zur Bildung einer großen Menge Plastikmüll, der sich nicht so schnell zersetzen lässt, was zu einer Umweltkatastrophe sowohl an Land als auch auf dem Wasser führt. Um dieses Problem zu lösen,Wissenschaftler der Cornell University (USA) haben in den letzten 15 Jahren eine neue Art von Kunststoff entwickelt, die alle kommerziellen Anforderungen erfüllt, sich jedoch bei längerer Einwirkung von ultraviolettem Licht schnell genug zersetzt. Woraus besteht das neue Polymer, wie zersetzt es UV-Strahlung und kann diese Erfindung den Weltozean vor dem Ersticken von Plastik bewahren? Die Antworten auf diese Fragen erwarten uns im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.

Studienbasis


Wir haben bereits eine Studie diskutiert , in der Wissenschaftler die Menge an Plastikmüll in den Ozeanen anhand von Daten zu abgelegenen und unbewohnten Inseln berechnet haben.

Es wird jedoch nicht überflüssig sein, uns daran zu erinnern, dass die Kunststoffproduktion in den letzten Jahren (nach verschiedenen Schätzungen) 350 bis 400 Millionen Tonnen pro Jahr überschritten hat. Gleichzeitig befindet sich ein ziemlich beeindruckender Teil des Plastikmülls in den Gewässern der Ozeane. Die Forscher erinnern uns an einen großen pazifischen Müllplatz - eine Müllsammlung im nördlichen Pazifik, deren Fläche etwa 1,6 Millionen km 2 beträgt. Diese Müllinsel hat 79.000 Tonnen Plastik. Jemand könnte vorschlagen, diese Insel zu „fangen“ und Müll zum Recycling zu schicken, aber es ist bei weitem nicht die einzige. Insbesondere nimmt dieser Müllplatz nur einen kleinen Bruchteil von etwa 4 bis 12 Millionen Tonnen Müll in den Ozeanen und Meeren rund um den Planeten ein. Während wir eine Müllinsel fangen, wird eine neue oder sogar zwei Zeit haben, sich zu bilden. Ganz zu schweigen von der Komplexität einer solchen Bereinigung aufgrund der Wetterbedingungen.

Das Prinzip „sauber, wo sie nicht wegwerfen“ kann noch nicht als bestimmendes Merkmal unserer Art bezeichnet werden. Daher beschlossen die Wissenschaftler, ein Material zu schaffen, aus dem Müll nicht so lange hält wie gewöhnlicher Kunststoff (eine gewöhnliche Plastiktüte zersetzt sich etwa 100 Jahre lang im Boden).

Die Forscher stellen fest, dass ungefähr 52% der Trümmer in den Ozeanen Plastikfischernetze und andere Ausrüstung sind (Daten von 2015). Diese Gegenstände tragen nicht nur zur Zunahme der Müllansammlung bei, sondern führen auch zum Tod von Meereslebewesen.

Die Fischereiindustrie davon zu überzeugen, etwas Sichereres als Plastik zu verwenden, ist unmöglich. Kunststoffnetze sind billig, es ist nicht schade, sie im Meer zu verlieren (aus wirtschaftlicher Sicht), sie können einfach und schnell hergestellt werden, was bedeutet, dass Kunststoff in Zukunft verwendet wird.


Schema Nummer 1: Der ideale Weg, um Kunststoff zu zersetzen.

Wenn Sie nicht überzeugen können, können Sie das vorhandene Material so modifizieren, dass es genauso haltbar und praktisch ist, sich jedoch viel schneller zersetzt (Abbildung oben).

Der Marktführer unter den Polymeren in der Fischereiindustrie ist isotaktisches Polypropylen (iPP aus isotaktischem Polypropylen ), Polyethylen hoher Dichte (HDPE aus Polyethylen hoher Dichte ) und Polyamide.

Isotaktisches Polypropylen ist eine der Arten von Polypropylen in der Molekülstruktur (die anderen beiden sind syndiotaktisch und ataktisch). Isotaktisch hat eine hohe Dichte (910 kg / m 3 ), einen hohen Schmelzpunkt (bis zu 170 ° C) und eine hohe Beständigkeit gegen verschiedene Chemikalien. Mit anderen Worten, diese Art von Kunststoff ist sehr widerstandsfähig, was eine schlechte Nachricht für die Umwelt ist.

Polyethylen hoher Dichte hat auch eine hohe spezifische Festigkeit bei einer Dichte von etwa 970 kg / m 3. Dieser Indikator unterscheidet sich geringfügig von gewöhnlichem Polyethylen, aber HDPE weist dichtere intermolekulare Bindungen auf, wodurch es stärker wird. Der Schmelzpunkt von HDPE beträgt 120 ° C.

Polyamid ist ein Kunststoff mit Amidgruppen - CONH - in seiner Hauptkette. Diese Ergänzung macht es sehr langlebig, zäh, viskos und beständig gegen äußere Einflüsse. Der Schmelzpunkt und die Dichte hängen von der jeweiligen Art des Polyamids ab und variieren im Bereich von 178 ° C und 1 010 kg / m 3 bis 220 ° C und 1 084 kg / m 3 .

Eine der Methoden zur Beschleunigung der Zersetzung von Kunststoffen ist das Einbringen von Dotierstoffen (Additiven) in ihre Zusammensetzung. Der Nachteil dieser Technik ist jedoch die hohe Initiationswahrscheinlichkeit, d.h. Ketten sekundärer unerwünschter chemischer Reaktionen.

Die Beschleunigung der plastischen Zersetzung durch Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber ultraviolettem Licht ist keine neue Idee. Ähnliche Entwicklungen gibt es seit den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts. Das Ergebnis war Kunststoff (Ethylenmonoxidcopolymer), der bei der Herstellung von Getränkeverpackungen verwendet wurde. Ein solches Material unterscheidet sich jedoch nicht in der hohen Festigkeit, die für Angelgeräte erforderlich ist. Die Idee, UV zu verwenden, hat jedoch ein großes Potenzial.

Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass isotaktisches Poly (propylenoxid) oder iPPO ideal zur Rolle des Fundaments eines neuen Kunststoffs passen kann, da es strukturell dem normalen iPP sehr ähnlich ist. Ein höheres Maß an Takt (identische sich wiederholende stereochemische Ketten) im iPP erhöht seine Kristallinität, was zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit führt.

Folglich kann bei PPO auch durch Erhöhen der Festigkeit eine hohe Taktgefühl erreicht werden. Darüber hinaus bietet das Vorhandensein von Etherbindungen eine Empfindlichkeit gegenüber einem photochemischen Abbau aufgrund von UV-Strahlung.

Kommerzielle Produktion aPPO verwendet Doppelmetallcyanidkatalysatoren in Kombination mit Alkoholkettenübertragungsmitteln (CTAs), um niedermolekulare Polymere mit niedriger Dispersion (Đ) herzustellen. Für die Synthese von iPPO ist es jedoch problematisch, eine solche Kontrolle über die Struktur aufrechtzuerhalten und gleichzeitig einen hohen Takt zu erhalten.

Daher entschieden sich die Wissenschaftler für die Verwendung enantioselektiver Katalysatoren, die ein Enantiomer selektiv polymerisieren und gleichzeitig ein weniger reaktives Epoxid lösen. Als Ergebnis wurden mehrere hohe Mengen an stereoselektiven Co- und Cr-Katalysatoren erhalten.Stereoselektivität * (bis zu> 99%).
Stereoselektivität * - wenn im Verlauf einer chemischen Reaktion die Bildung eines Stereoisomers gegenüber einem anderen überwiegt.
Hochisotaktisches Poly (propylenoxid) kann durch Kettenübertragungspolymerisation aus enantiomerem * Propylenoxid synthetisiert werden ( A in Schema 2).


Schema 2: Synthese von iPPO.
Enantiomere * - ein Paar Stereoisomere, die spiegelbildlich zueinander sind und nicht räumlich kompatibel sind.

Stereoisomere sind chemische Verbindungen, die die gleiche Struktur haben, sich jedoch in der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden.
Für diese Art der Synthese wird ein Katalysator benötigt, der eine gegenseitige Anreicherung bietet, sowie ein Enantiomonomer, das eine Herstellung in großem Maßstab praktisch unmöglich macht.

Enantioselektive Kettenübertragungspolymerisation kann auch zu einem hochisotaktischen Polymer führen, bei dem der Takt ausschließlich durch die Katalysatorselektivität bestimmt wird ( B in Schema 2).

Die isoselektive Polymerisation der Kette liefert eine einzigartige Polymerarchitektur, in der beide Monomere ( C in Schema 2) in der Stereoblock * -Konfiguration enthalten sind (SB, d. H. Stereoreguläres Blockpolymer).
Stereoreguläre Polymere * - Polymere, in deren Makromolekülen ein asymmetrisches Kohlenstoffatom vorhanden ist.
Trotz der Vielzahl der iPPO-Synthesemöglichkeiten ist wenig über die mechanischen Eigenschaften dieses Materials bekannt. Daher beschlossen die Wissenschaftler, verschiedene Varianten hochisotaktischer iPPOs zu synthetisieren und deren mechanische Festigkeit und Photoabbau zu untersuchen.

Forschungsergebnisse


In seiner enantiomeren und racemischen Form wurde Komplex 1 verwendet, um das enantiomere und racemische PO zu polymerisieren, um jede stereoreguläre iPPO-Konfiguration zu erzeugen (Tabelle 1).


Tabelle Nr. 1: Synthese verschiedener stereoregulärer Konfigurationen von hochisotaktischem iPPO unter Verwendung von 1 und 1,6-Hexandiol.

Enantio-angereichertes (S) -iPPO wurde aus (S) -1 und (rac) -PO in Gegenwart von 1,6-Hexandiol (1,6-HD) als CTA erhalten. Seine Enantiomerenform wurde aus (S) -PO unter Verwendung von (rac) -1 unter ähnlichen Reaktionsbedingungen synthetisiert. Enantiomeres ®-iPPO wurde auf die gleiche Weise unter Verwendung von ®-PO erhalten. Schließlich ergab das Mischen gleicher Mengen von Enantiomer (S) - und ®-iPPO in Lösung ein hochisotaktisches (rac) -iPPO. Wie erwartet haben alle synthetisierten Formen von iPPO ähnliche Werte für Mn (Molekulargewicht) und Đ (Dispersion).


Bild Nr. 1

Jede stereoreguläre Form von iPPO wurde einer einachsigen Dehnung unterzogen, gefolgt von der Entfernung von nicht reaktivem PO und Dimethoxyethan (DME).

Jedes Material zeigte eine elastische Reaktion auf einen scharfen Peak der Ausbeute, gefolgt von einem flachen Bereich und dann einer Zunahme der Spannung bis zum Versagen.

Enantiomere (S) - und ®-iPPOs haben erwartungsgemäß das gleiche Zugprofil mit einem Elastizitätsmodul von ~ 290 MPa, einer Streckgrenze von ~ 12 MPa und einer Zugfestigkeit (UTS) von 75 MPa ( 1A ).

Trotz der Tatsache, dass enantiomerenangereichertes (mit mehr als einem Enantiomer) (S) -iPPO aufgrund des unbedeutenden Einschlusses von ®-PO unbedeutende Fehler aufweist, ist seine elastische Reaktion vergleichbar mit enantiomerenreinem (nur ein Enantiomer) (S) -iPPO bei große Verformung ( 1B) Es hat einen leicht reduzierten Elastizitätsmodul und eine Streckgrenze von 248 bzw. 11 MPa. Varianten von (rac) -iPPO und (SB) -iPPO zeigten die niedrigsten Abnahmeraten der Festigkeit (4 bzw. 10 MPa) unter Spannung ( 1C ).

Eine geringere Festigkeit (SB) -iPPO kann auf seine geringe Isotaktizität zurückzuführen sein. Die Struktur seiner isotaktischen Triaden (mm) ähnelt jedoch der von enantiomerenangereichertem (S) -iPPO, das die gleiche Zugfestigkeit wie enantiomerenreines iPPO aufweist.


Isotaktische Triade (mm) eines Polypropylenmoleküls. Der Massenanteil isotaktischer (mm) Triaden ist ein allgemeines quantitatives Maß für die Taktbewertung.

Der in (SB) -iPPO beobachtete niedrigere mm-Triadengehalt ist charakteristisch für seine Blockmikrostruktur. Für enantiomerenangereichertes (S) -iPPO ist dies jedoch auf den zufälligen Einschluss des weniger bevorzugten Enantiomers zurückzuführen.

(SB) -iPPO behält die ungefähre Streckgrenze aller anderen Formen von iPPO bei, jedoch unterscheidet sich sein Zugverhalten während des Kaltverfestigens. Bei kontinuierlicher einachsiger Dehnung bauen sich teilkristalline Polymerketten häufig nach irreversibler Verformung wieder auf, was zu einer Kristallisation führt, die auch als mechanisches Härten bezeichnet wird. Es wurde gefunden, dass es dieser Prozess ist, der zu einer Abnahme der Zugfestigkeit von (SB) -iPPO führt.

Wissenschaftler stellen fest, dass in vielen Polymeren Spannungsschwankungen (Dehnungen) beobachtet werden, die normalerweise Metallen inhärent sind. Früher war es ziemlich schwierig, die Ursache solcher Schwingungen zu bestimmen, es gibt jedoch eine Theorie, dass dies auf die Bildung von Mikrorissen und Hohlräumen in der Polymerstruktur zurückzuführen ist.


Bild Nr. 2

Frühere Untersuchungen von Spannungsschwankungen zeigten ihre Abhängigkeit von Temperatur, Dehnungsrate und der Art des Materials. Aufgrund des relativ niedrigen Schmelzpunktes von iPPO (68 ° C) wurde die Temperaturabhängigkeit der Schwingungen in dieser Arbeit jedoch nicht untersucht. Stattdessen wurde die Abhängigkeit der Dehnungsrate von Schwingungen im Dehnungsbereich von 0,10% bis 1000% untersucht (Grafik oben).

Eine Erhöhung der Dehnungsrate über 100% führte zur Abschwächung und zum Verschwinden der Zahnreaktion (angezeigt durch eine gepunktete Linie), aber auch zu einer Verringerung der Zugfestigkeit.

Um den oberen Wert der iPPO-Zugfestigkeit zu bestimmen, wurden verschiedene Varianten von enantiomerenangereichertem (S) -iPPO synthetisiert. Die Polymere wurden mit Molekulargewichten im Bereich von 49 bis 206 kDa synthetisiert. Jede Probe zeigte den gleichen ungefähren Takt und die gleiche Streckgrenze (etwa 12 MPa).


Bild Nr. 3

Eine Erhöhung des Molekulargewichts über 100 kDa führte zu einer leichten Verbesserung der Spannung. Das Auftreten eines Zugfestigkeitsverlustes wurde auch festgestellt, wenn das Molekulargewicht unter 104 kDa abnahm.

Nachdem der Grenzwert der Endfestigkeit für iPPO bestimmt worden war, führten die Wissenschaftler eine vergleichende Analyse dieses Polymers mit handelsüblichen Kunststoffen (iPP, HDPE und Nylon-6.6) durch.


Bild Nr. 4

iPPO zeigte eine relativ geringe Streckgrenze, aber die Zugfestigkeit war höher als die von handelsüblichen Polymeren (Grafik oben).

Das untersuchte iPPO ist stark genug, was für die Fischereiindustrie äußerst wichtig ist. Es bleibt zu prüfen, wie anfällig es für Sonnenlicht ist. Natürlich variiert die Lichtintensität je nach Jahreszeit, Wetterbedingungen und Tageszeit. Zu Versuchszwecken wurde jedoch beschlossen, konstante Strahlung zu verwenden, die jedoch weniger intensiv ist als unter natürlichen Bedingungen.

Die Probe wurde 30 Tage lang UV-Strahlung (365 nm) mit einer Intensität von 250 μW / cm 2 ausgesetzt . Die Zersetzung wurde durch Gelpermeationschromatographie (GPC) bewertet, um die Änderung des Polymermolekulargewichts zu quantifizieren.


Bild Nr. 5 Die

Probe begann sich nach 3 Tagen zu zersetzen, was durch einen Abfall des Molekulargewichts von 9 kDa belegt wurde (Grafik oben, blaue Marker). Nach 15 Tagen hat das Molekulargewicht bereits 29 kDa verloren. Das Endergebnis des Experiments (nach 30 Tagen) zeigte, dass das Molekulargewicht des Polymers von 93 kDa auf 21 kDa abnahm.

Parallel dazu wurde die Zersetzung des gleichen Polymers bewertet, jedoch ohne UV-Strahlung (Grafik oben, rote Marker). Wie erwartet hat sich das Molekulargewicht nach vollen 30 Tagen nicht verändert, was auf das Fehlen eines Abbaus des Materials hinweist.

In diesem Fall kann der Hauptzersetzungsmechanismus als Autooxidation angesehen werden. Antioxidationsmittel mit niedrigem Molekulargewicht werden häufig als Radikalstabilisatoren in handelsüblichen Polyestern und Polyurethanen verwendet. Durch Manipulieren dieser Additive können Sie die Lebensdauer des Polymers steuern.

Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf den Bericht von Wissenschaftlern .

Epilog


In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler ein neues Polymer entwickeln, das Eigenschaften aufweist, die mit kommerziellen Polymeren vergleichbar sind, sich jedoch unter dem Einfluss von Sonnenlicht zersetzen können. Natürlich ist geplant, in Zukunft mehrere weitere Studien durchzuführen, um die vollständige Kontrolle über den Zersetzungsprozess zu erlangen, da niemand Fischernetze benötigt, die sich ab dem ersten Gebrauchstag zersetzen.

Die Menge des verwendeten Kunststoffs kann reduziert werden, dies kann jedoch zu anderen Problemen sowohl in der Wirtschaft als auch in der Umwelt führen. Wissenschaftler glauben, dass das Problem aus einem anderen Blickwinkel betrachtet werden muss - wenn Sie Kunststoff nicht ablehnen können, müssen Sie ihn ändern, damit die Verwendung von Kunststoff die Umwelt nicht schädigt.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass das Vorhandensein dieser Art von Forschung nicht bedeutet, dass Sie in Bezug auf Plastikmüll, dessen Sortierung usw. nachlässig sein können. Es ist unmöglich, sich auf Wissenschaftler zu verlassen, die glauben, dass sie alle „auflösen“ werden. In der Tat ist die Schaffung eines neuen Superplastiks noch weit entfernt, und die Müllinseln in den Ozeanen schwimmen immer noch. Daher sollte jede Person so weit wie möglich zur gemeinsamen Sache des Umweltschutzes beitragen. Wenn wir den durch frühere Generationen verursachten Umweltschaden nicht korrigieren können, sollten wir ihn zumindest nicht verschlimmern.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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