Để tổng hợp nhựa, các phân tử monome nhỏ cần phải được xâu chuỗi lại với nhau giống như các hạt trên vòng cổ để tạo thành chuỗi polyme dài. Tuy nhiên, không phải tất cả nhựa hoặc tất cả các polyme của chúng đều được tạo ra như nhau. Loại polyme nào càng dài và càng khỏe thì vật liệu mà nó tạo ra sẽ càng bền.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell (Mỹ) đã lấy một monome có kích cỡ trung bình và sử dụng một chất xúc tác đặc biệt để tạo ra một loại polyme cứng hơn có thể hình thành nên các chuỗi dài. Polyme này sau đó có thể dễ dàng khử trùng hợp bằng một chất xúc tác axit để trở lại trạng thái monome. Đây chính là một loại nhựa nhiệt dẻo có thể tái chế hóa học và có khả năng cạnh tranh với những loại nhựa phổ biến nhất hiện nay như polyetylen (PE) và polypropylen (PP).
Bài báo mang tên "Chemically Recyclable Thermoplastics from Reversible-Deactivation Polymerization of Cyclic Acetals" của nhóm nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chí Science vào giữa tháng 8/2021. Hai đồng tác giả thứ nhất là Brooks Abel, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và tiến sĩ Rachel Snyder tốt nghiệp năm 2021.
"Về mặt lý tưởng, một loại polyme hoàn hảo là loại có ứng suất ban đầu cao và sau đó được kéo dãn ra thật dài”, GS. Geoffrey Coates tại Trường cao đẳng giáo dục khai phóng và khoa học của ĐH Cornell, đồng thời là tác giả liên hệ của bài báo, cho biết.
"Các polyme mà ta hay nghe nói đến như PE và PP có đặc tính tuyệt vời. Rất nhiều polyme mới không thể so sánh được với những loại polyme đã kinh qua thử thách này. Polyme của chúng tôi thuộc loại này. Nó đã tồn tại khoảng 60-70 năm rồi nhưng không ai có thể tạo ra chuỗi polyme thực sự dài và có đặc tính tốt”
Trong một bước ngoặt bất ngờ, kết quả khám phá polyme này không phải đến từ một nghiên cứu nhựa thông thường mà bắt nguồn từ sự hợp tác giữa nhóm nghiên cứu của Coates với Trung tâm nghiên cứu lưu trữ năng lượng JCESR, một đơn vị hợp tác liên ngành của Bộ Năng lượng Mỹ có nhiệm vụ phát triển pin thế hệ mới.
Nhóm nghiên cứu của Coates đã phát triển các loại polyme bền vững có thể dùng để lưu trữ năng lượng và làm vật liệu chuyển đổi năng lượng. Khi đó, họ nhận ra rằng loại polyme của mình, poly (1,3-dioxolane) hay còn gọi là PDXL, rất phù hợp để tạo ra một loại nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt dẻo là loại vật liệu có thể nấu chảy, tái chế và định hình lại khi nguội.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra polyme của mình từ một loại monome acetal dạng vòng gọi là dioxolane, vốn được tổng hợp từ những vật liệu thô formaldehyde and ethylene glycol có khả năng tái tạo về mặt sinh học.
Polyacetal là ứng cử viên để tạo ra nhựa nhiệt dẻo có thể tái chế vì chúng có thể bền vững ở mức 3000C nhưng lại có thể giải trùng hợp ở mức nhiệt tương đối thấp, dưới 150oC bằng chất xúc tác axit. Chúng ít tốn kém và có thể lấy từ nguồn năng lượng sinh học. Tuy nhiên, trước đây người ta ít sử dụng polyacetal vì các chuỗi polyme của nó quá ngắn, không đủ độ bền cơ học cho các ứng dụng thương mại.
"Chúng tôi muốn tìm phương pháp mới để tạo ra polyacetal và có thể kiểm soát chiều dài của chuỗi polyme. Giờ đây, chúng tôi đã tạo ra được các polyacetal cao phân tử, dễ uốn nắn và dẻo dai một cách đáng ngạc nhiên so với loại ban đầu dễ gãy và có trong lượng phân tử thấp”, Abel nói.
Bằng cách sử dụng quá trình khử trùng hợp mở vòng cationic khử hoạt tính đảo ngược, các nhà nghiên cứu đã liên kết được các monome thành chuỗi PDXL dài có khối lượng phân tử cao và sức bền cao. Kết quả là họ đã tạo ra một loại nhựa nhiệt dẻo đủ bền và linh hoạt để sử dụng cho các ứng dụng quy mô lớn như đóng gói sản phẩm. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh bằng việc tạo ra một số mặt hàng nguyên mẫu, bao gồm các loại túi bảo vệ, hộp đựng đúc dẻo và túi khí chèn lót giống kiểu mà Amazon thường dùng để đệm trong các gói bưu kiện của mình.
"Hiện nay, gần 40% nhựa được dùng để sản xuất những sản phẩm đóng gói vốn sử dụng trong một thời gian ngắn rồi bị vứt bỏ”, Snyder cho biết “PDXL đủ bền để dùng làm đóng gói, nhưng thay vì vứt đi, người ta có thể thu thập chúng và tái sử dụng bằng quy trình tái chế hóa học rất hiệu quả. Điều này khiến nó trở thành một ứng viên hoàn hảo cho nền kinh tế polyme.
Quá trình tái chế hiệu quả đến mức có thể khử trùng hợp (polyme hóa) PDXL từ hỗn hợp nhựa thải phức tạp. Nhóm nghiên cứu đã trộn PDXL với các loại nhựa thương mại khác như PET, PE và Polystyrene. Sau khi dùng chất xúc tác axit và nhiệt độ, họ đã thu hồi được tới 96% monome dioxolane tinh khiết. Điều này chứng minh rằng có thể dễ dàng tách chúng từ các chất ô nhiễm phổ biến như thuốc nhuộm và chất hóa dẻo. Các monome thu hồi sau đó sẽ được tái tạo thành PDXL. Điều này chỉ ra thuộc tính quan trọng nhất của polyme: sự bền vững.
"Phải mất rất nhiều nhiên liệu hóa thạch để tạo ra các loại nhựa và dấu chân carbon của những loại nhựa phổ biến như PE hoặc PP rất lớn. VÌ vậy, chúng tôi phải tìm ra cách sản xuất tốt hơn”, Coates nói. “Nếu ta có thể tái chế hóa học polyme, thì nhựa đó sẽ không đi vào trong đại dương, đúng không? Và thay vì dùng tất cả năng lượng để hút dầu ra khỏi mặt đất và phá vỡ chúng thành những mảnh nhỏ và sử dụng hết những năm lượng đó, tất cả những gì chúng ta phải làm chỉ là làm nóng polyme và, bùm, chúng ta lại có lại monome”
