Er zijn twee hoofdtypen kunststoffen, thermoplasten en thermoharders, elk met hun eigen voor- en nadelen. De eerste kun je gemakkelijk recycleren en vervormen, maar hebben zwakke intermoleculaire interacties; de laatste hebben sterke covalente crosslinks die stabiel blijven bij hitte, maar meestal op een permanente afvalberg eindigen. Covalente aanpasbare netwerken (CAN’s) combineren de sterke eigenschappen van thermoharders met de recycleerbaarheid van thermoplasten door gebruik te maken van dynamische crosslinks. Loc Tan Nguyen, Chiel Mertens en Filip Du Prez van de Universiteit Gent hebben op basis van dit concept een zeer eenvoudige manier gevonden om recycleerbare elastomeren op basis van PDMS te maken.

Dynamische bindingen

Loc Nguyen, een promovendus in de Polymer Chemistry Research-groep van Du Prez, legt uit hoe het team de CAN’s heeft ontwikkeld. ‘Ons belangrijkste doel was om β-amino-esters [BAE’s, red.] toe te passen op siliconenelastomeren die veel duurder zijn dan conventionele elastomeren op basis van koolstof. BAE’s zijn dynamische bindingen die je maakt door een omkeerbare reactie tussen een amine en een acrylaat. Dit betekent dat je een netwerk van covalente bindingen kunt maken die niet permanent zijn.’

Siliconenelastomeren zijn geliefd vanwege hun unieke eigenschappen. ‘Denk aan hoge flexibiliteit en gasdoorlaatbaarheid, en stabiliteit over een zeer breed temperatuurbereik van -100 tot +250 °C’, zegt Loc Nguyen. ‘Helaas worden deze elastomeren vaak bij hoge temperaturen uitgehard met behulp van dure metalen katalysatoren of giftige reagentia. Een vereenvoudiging van het uithardingsproces kan leiden tot zeer interessante toepassingen.’

Vijf

Voor de siliconenelastomeren gebruikte het team commercieel verkrijgbare varianten van polydimethylsiloxaan, waarin ze het aantal crosslinks konden variëren door het gebruik van ketenverlengers (zoals hexylamine) of verharders (zoals tris(2-aminoethyl)amine). Omdat ze het elastomeer combineerden met BAE’s, was het heel eenvoudig om de overeenkomstige elastomeren te modificeren en opnieuw te verwerken. Loc Nguyen: ‘We konden het vernette polymeer vijf keer in stukken knippen, en elke keer konden we het polymeer opnieuw maken door het weer samen te persen zonder dat het eigenschappen verloor, wat een grote recycleerbaarheid laat zien.’

Voor de meeste elastomeertoepassingen heb je een voldoende hoge mechanische sterkte nodig. ‘De siliconenelastomeren zelf zijn niet sterk genoeg’, legt Loc Nguyen uit. ‘Daarom worden er meestal vulstoffen aan de rubbers toegevoegd om hun eigenschappen te verbeteren. Er schuilt echter een gevaar in het gebruik van vulstoffen, namelijk dat ze de recyclebaarheid verminderen.’

Verrassing

In dit geval gebruikten de onderzoekers silanolgroepen als vulstof, die de elektrofiliteit van de acrylaat-carbonylgroep verhogen door middel van waterstofbruginteracties. ‘Wat ons echt verraste was dat de vulstof de recycleerbaarheid niet verminderde’, zegt de promovendus. ‘Normaal gesproken is het niet mogelijk om recycleerbaarheid en  eigenschappenverbetering te combineren, maar dankzij de functionele groep op de silica lukt het wel!’

Het ging echter niet vanzelf. ‘We hebben veel verschillende vulstoffen geprobeerd en het heeft ons veel tijd gekost. Maar uiteindelijk vonden we deze beter dan alle andere en het bleek de sleutel te zijn voor dit onderzoek.’ Een ander voordeel van de gebruikte materialen is dat het hele proces zeer schaalbaar is. ‘We gebruikten commercieel verkrijgbare bouwstenen, waardoor het gemakkelijk toe te passen is. Samen met de VUB kijken we nu of we het materiaal kunnen helen voor softroboticstoepassingen.’

Nguyen, L.T., Mertens, C. & Du Prez, F.E. (2024) Macromolecules, DOI: 10.1021/acs.macromol.4c00023