فريق من جامعة تشينغداو للعلوم والتكنولوجيا في الصين يطور مادة جديدة عالية الأداء من المطاط الحراري المرن القابل لإعادة التدوير بشكل مغلق

تدمج المطاطات الحرارية المرنة (TPEs) بين المرونة العالية للمطاط وسهولة معالجة البلاستيك، وقد وجدت تطبيقات واسعة في مجالات متعددة مثل الإلكترونيات والرعاية الصحية والفضاء. في عام 2023، وصل حجم السوق العالمي لـ TPEs إلى 25.15 مليار دولار أمريكي، ويحافظ على اتجاه نمو سريع. ومع ذلك، فإن معظم TPEs المتاحة تجاريًا تعتمد حاليًا على المواد الخام القائمة على البترول، حيث أن بنية سلسلة الكربون-الكربون الرئيسية مستقرة ويصعب تحللها، مما يثير مشاكل استنزاف الموارد والتلوث البيئي. لذلك، أصبح تطوير TPEs جديدة تستخدم مواد خام خضراء، وتتمتع بأداء ممتاز، وقابلة لإعادة التدوير كيميائيًا، اتجاهًا رئيسيًا لدفع تطور الصناعة.

في السنوات الأخيرة، حظيت مواد TPE القابلة لإعادة التدوير كيميائيًا باهتمام واسع. يمكن لهذه المواد أن تتحلل إلى مونومرات تحت ظروف محددة بعد الاستخدام، ويمكن إعادة استخدام هذه المونومرات للبلمرة لإنتاج TPEs، مما يحقق عملية دورة مغلقة من البوليمر إلى المونومر ثم إلى البوليمر مرة أخرى. ومع ذلك، لا تزال مواد TPE القابلة لإعادة التدوير كيميائيًا المبلغ عنها تواجه تحديات مثل كفاءة إعادة التدوير المنخفضة، وتعقيد خطوات فصل وتنقية المونومرات، وصعوبة تحقيق أداء المواد لمتطلبات التطبيق العملي.

للمواجهة هذه المشاكل، طور فريق البروفيسور شين يونغ والبروفيسور لي جي بو من جامعة تشينغداو للعلوم والتكنولوجيا نوعًا جديدًا من TPEs عالية الأداء والقابلة لإعادة التدوير بشكل مغلق. تستخدم هذه المادة المونومرات الحيوية β-ميثيل-δ-فاليرولاكتون (βMVL) و p-ديوكسانون (PDO)، ويتم تحضيرها من خلال تقنية البلمرة التسلسلية لفتح الحلقة بطريقة "القدر الواحد"، مما لا يظهر أداءً استثنائيًا فحسب، بل يحقق أيضًا إعادة تدوير عالية الكفاءة بشكل مغلق.

استخدم فريق البحث βMVL و PDO كمواد خام، ونظام تحفيز ثنائي من القاعدة العضوية/اليوريا، وبالبلمرة التسلسلية لفتح الحلقة بطريقة "القدر الواحد"، نجحوا في تحضير بوليمر ثلاثي الكتل من نوع ABA ذو بنية محددة PPDO-b-PβMVL-b-PPDO. من خلال ضبط الوزن الجزيئي، وكسر الحجم للقطاع الصلب، والبنية الطوبولوجية، تمكن الباحثون من التحكم الدقيق في أداء المادة. أظهرت TPEs المحضرة أداءً شاملًا ممتازًا، حيث تفوقت خصائصها الميكانيكية على بعض TPEs القائمة على الستايرين التجارية مثل SBS و SIS. على وجه الخصوص، مادة TPE-6 ذات البنية النجمية ثلاثية الأذرع، وصلت قوة الشد فيها إلى 21.1 ميجا باسكال، واستطالة الكسر إلى 1054%، ومعدل الاستعادة المرنة إلى 93.5%. كانت درجة حرارة التحول الزجاجي لـ TPE-6 منخفضة تصل إلى -45.2 درجة مئوية، مما يحافظ على مرونة وليونة جيدة حتى في بيئات منخفضة الحرارة؛ وصلت أعلى درجة حرارة استخدام لها إلى 81.3 درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من TPEs القابلة لإعادة التدوير المبلغ عنها سابقًا (حوالي 40 درجة مئوية)، وتقارب الحد الأعلى لدرجة حرارة استخدام SBS التجاري (YH-791، 79.3 درجة مئوية) و SIS (YH-1209، 73.9 درجة مئوية)، مما يعوض النقص في أداء TPEs القابلة لإعادة التدوير كيميائيًا في درجات الحرارة العالية، ويلبي متطلبات العديد من سيناريوهات التطبيق العملي.

في وجود محفز 0.5 wt% من ستانوس أوكتوات، خضعت المادة لتحلل كتلي عند 140 درجة مئوية، ويمكن استرداد خليط المونومرات الأصلية عن طريق التقطير بالتفريغ، حيث كانت نسبة المونومرات متسقة مع نسبة التغذية الأولية، ووصل إجمالي معدل الاسترداد إلى 94%. يمكن فصل خليط المونومرات باستخدام طريقة الفصل العمودي، و TPE-R المحضر من إعادة بلمرة المونومرات المنفصلة كان متطابقًا في البنية والأداء مع المادة الأصلية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا فصل خليط المونومرات عن طريق التقطير الدقيق، ويمكن للمونومرات الخام التي تم الحصول عليها بعد التقطير الثانوي (βMVL بنقاوة 97% و PDO بنقاوة 89%) أن تحضر بوليمر كتل متدرج (TPE-SR) عن طريق البلمرة المشتركة المباشرة. كانت قوة الشد لهذه المادة 11.9 ± 1.2 ميجا باسكال، واستطالة الكسر 1070 ± 130%، ومعدل الاستعادة المرنة 90.4 ± 0.6%، وأعلى درجة حرارة استخدام 81.7 درجة مئوية، حيث لا يزال أداؤها الشامل يلبي متطلبات معظم سيناريوهات التطبيق. مقارنة بطريقة الفصل والاسترداد التقليدية بالفصل العمودي، فإن استراتيجية الفصل بالتقطير الدقيق هذه أبسط في التشغيل، وأقل استهلاكًا للطاقة، وأكثر ملاءمة للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.

نُشرت نتائج البحث ذات الصلة تحت عنوان "High-Performance and Closed-Loop Recyclable Thermoplastic Elastomers from Sequential Ring-Opening Copolymerization of Biobased β-Methyl-δ-valerolactone and p-Dioxanone" في مجلة ACS Sustainable Chemistry & Engineering. كانت طالبة الدكتوراه وانغ لي ينغ من جامعة تشينغداو للعلوم والتكنولوجيا المؤلفة الأولى للورقة البحثية، والبروفيسور شين يونغ والبروفيسور لي جي بو من جامعة تشينغداو للعلوم والتكنولوجيا المؤلفان المراسلان المشاركان للورقة. حصل هذا العمل البحثي على دعم من الصندوق الوطني للعلوم للشباب (الفئة ب) ومشروع علماء تايشان في مقاطعة شاندونغ.