Van zwavel uit aardolie kun je een stabiele, goed verwerkbare kunststof maken. Je kunt er onder meer kathodes voor lithium-zwavelaccu’s van maken, schrijven Koreaanse en Amerikaanse onderzoekers in Nature Chemistry.

Ze hopen zo een nieuwe markt te creëren voor de 60 miljoen ton elementaire zwavel, die jaarlijks wordt geproduceerd door ontzwavelingsinstallaties van olieraffinaderijen. Ondanks een hele reeks andere toepassingen (onder meer in autobanden) blijft er een zwavelberg over die volgens de auteurs momenteel groeit met 7 miljoen ton per jaar.

In vaste vorm bestaat die elementaire zwavel uit ringvormige moleculen van elk acht zwavelkernen, S₈ dus. Boven de 120 graden Celsius smelt het materiaal; in de vloeistof zie je oook grotere ringen ontstaan. Boven de 159 graden krijg je echt een evenwicht tussen gesloten ringen en exemplaren die zijn opengeknipt tot een diradicaal, en zie je dat die diradicalen gaan polymeriseren tot veel langere ketens. Alleen zijn die lange ketens niet stabiel; bij afkoeling krijg je gewoon je S₈ weer terug.

Het idee was nu om die polymeerketens te stabiliseren door er hier en daar een organisch diradicaal tussen te zetten. Voor het gemak voegen ze dat tweede ingrediënt bij 185 graden rechtstreeks aan de vloeibare zwavel toe, zonder extra oplosmiddel.

Ze hebben verschillende toevoegingen geprobeerd maar alleen 1,3-diisopropenylbenzeen (DIB) bleek de ‘inverse vulkanisering’ op te leveren waarop werd gehoopt. Het gaat goed met 10 tot 50 gewichtsprocent DIB; door te sleutelen aan dat percentage kun je de eigenschappen van het copolymeer instellen. De variant met 10 procent DIB is enigszins kristallijn, met 20 of meer procent wordt het volledig amorf.

De verwerkbaarheid is onder meer gedemonstreerd door de gesmolten polymeermassa in een mal van PDMS-siliconenrubber te gieten en te laten uitharden. Zo kun je een kunststoffilm met een fijne, goed gedefinieerde microstructuur produceren.

Dat laatste is onder meer handig als je een kathode met een groot oppervlak wilt gieten voor een lithium-zwavelaccu. Als je zuinig bent met je DIB, zijn de elektrochemische eigenschappen van het materiaal ongeveer hetzelfde als die van de elementaire zwavel waar je zo’n kathode het liefste van zou maken. Elementaire zwavel uitgieten op een PDMS-mal lukt echter niet.

Mogelijk brengt dit copolymerisatieproces de commercialisering van Li-S-accu’s dus een stukje dichterbij.

bron: University of Arizona