Od funkcjonalizacji po właściwości antybakteryjne dla zrównoważonych zastosowań

Polietylen (PE) to jeden z najpowszechniej stosowanych i wszechstronnych materiałów z tworzyw sztucznych na świecie, ceniony za opłacalność, lekkość i łatwość formowania. Te cechy sprawiają, że PE jest niezbędny w szerokim spektrum zastosowań, od materiałów opakowaniowych po tworzywa sztuczne konstrukcyjne.

Jednakże pomimo powszechnej użyteczności, wrodzona obojętność chemiczna PE ogranicza jego funkcjonalność w zaawansowanych zastosowaniach, powstrzymując jego potencjał w zakresie bardziej innowacyjnych zastosowań.

Aby uwolnić ten potencjał, konieczne jest wprowadzenie do PE polarnych grup funkcyjnych, które mogą znacząco poprawić jego właściwości i otworzyć drzwi do nowych zastosowań. Wyzwanie to stało się głównym tematem chemii polimerów, gdzie opracowanie skutecznych metod modyfikacji PE cieszy się coraz większym zainteresowaniem.

Jedną z głównych przeszkód w modyfikowaniu PE jest jego odporność chemiczna, co utrudnia funkcjonalizację konwencjonalnymi metodami. Ta obojętność przyczynia się również do gromadzenia się odpadów PE na składowiskach, co stanowi poważne wyzwanie dla środowiska. Ponieważ zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi w dalszym ciągu zagraża ekosystemom na całym świecie, konieczne jest znalezienie sposobów recyklingu lub ponownego wykorzystania PE w wartościowe produkty.

Chociaż istnieją pewne podejścia do modyfikacji PE, często brakuje im skalowalności i wydajności, co podkreśla potrzebę innowacyjnych rozwiązań, które równoważą wpływ na środowisko z korzyściami funkcjonalnymi dla tego wszechobecnego plastiku.

Spośród różnych dostępnych strategii aminowanie okazało się jedną z najbardziej obiecujących metod modyfikacji PE.

Ale po co skupiać się na aminach?

Aminy to grupy azotowe z jednym lub większą liczbą atomów wodoru przyłączonych w postaci wiązań NH. Te grupy NH mogą angażować się w wiązania wodorowe, umożliwiając interakcje między łańcuchami polimeru. To nie tylko zwiększa reaktywność chemiczną polimeru, ale także poprawia jego działanie w różnych zastosowaniach, od klejów po powłoki.

Jednak osiągnięcie skutecznej funkcjonalizacji PE aminami było poważnym wyzwaniem; większość metod wymaga wielu energochłonnych etapów lub wiąże się z ryzykiem pogorszenia właściwości polimeru.

W rezultacie postęp w kierunku skalowalnej, skutecznej metody aminowania PE był ograniczony. Warto zauważyć, że przekształcenie grup NH w aminowanym PE w inne gatunki mogłoby jeszcze bardziej poszerzyć zakres zastosowań PE.

W tym właśnie miejscu moje badania, prowadzone w ramach stażu podoktorskiego w grupie Schafera na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, stanowią odważny krok naprzód.

W wyniku szeroko zakrojonych badań skupiłem się na procesie katalitycznym zwanym hydroaminoalkilowaniem, mającym na celu skuteczne aminowanie PE. Technika ta, stosowana wcześniej do modyfikacji polipropylenu, okazała się obiecująca w przekształcaniu PE w prostej, jednoetapowej reakcji.

Praca jest opublikowany w dzienniku Wydanie międzynarodowe Angewandte Chemie.

Siła tej metody leży w jej skuteczności: działa ona w łagodnych warunkach, bez rozpuszczalników i pozwala uniknąć degradacji wywołanej rodnikami, obserwowanej w konwencjonalnych metodach. Stosując to podejście do polietylenu zakończonego winylem (VTPE), hojnie dostarczonego przez mojego partnera przemysłowego NOVA Chemicals, z powodzeniem stworzyłem PE z funkcjonalną aminą przy minimalnych etapach reakcji, zwiększając skalowalność i opłacalność.

Na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej moi koledzy z grupy Hatzikiriakos przeprowadzili testy reologiczne i mechaniczne mojego laminowanego PE. Odkryli, że wprowadzenie grup aminowych nie tylko modyfikowało właściwości chemiczne PE, ale także wpływało na jego właściwości fizyczne.

Na przykład temperatura krystalizacji modyfikowanego PE wzrosła, co wskazuje na silniejsze interakcje międzycząsteczkowe w polimerze ze względu na grupy aminowe. Grupy aminowe zwiększają również hydrofilowość materiału (lub przyciąganie wody), ponieważ wiązania NH mogą tworzyć wiązania wodorowe z cząsteczkami wody.

Tradycyjnie recykling PE był wyzwaniem ze względu na jego obojętność chemiczną, ale to nowe podejście pozwala nam przetwarzać odpady PE w cenne zasoby. Aminowanie odpadów PE jest obiecujące pod względem zrównoważonego rozwoju, umożliwiając ich ponowne wykorzystanie i zmianę przeznaczenia do różnych zastosowań.

A teraz wyobraź sobie świat, w którym nie musisz dezynfekować rąk za każdym razem, gdy dotykasz jakiejś powierzchni, co jest częstym problemem podczas pandemii Covid-19. Jest to problem, który chciałem poruszyć w swoim opracowaniu.

Oto jak aminowanie może prowadzić do działania antybakteryjnego: Przekształciłem grupy aminowe w polimerze w dodatnio naładowane grupy amonowe, traktując aminowany PE roztworem chlorowodorku. Ponieważ bakterie mają ujemnie naładowane błony komórkowe, w naturalny sposób przyciągają je dodatnio naładowane grupy amonowe.

Ta interakcja elektrostatyczna zakłóca błonę komórkową bakterii, ostatecznie zabijając bakterie. Po tej transformacji moi współpracownicy z Uniwersytetu w Calgary, zespół Heyne, wystawili zmodyfikowany polimer na działanie bakterii Staphylococcus aureus. Polimer zabił wszystkie bakterie w krótkim czasie ekspozycji.

Zasadniczo opracowałem polimer antybakteryjny, który można zastosować jako powłokę na powierzchniach codziennego użytku, oferując sposób zapobiegania rozprzestrzenianiu się zarazków bez konieczności ciągłego odkażania.

Ta historia jest częścią Dialog Nauka Xgdzie badacze mogą zgłaszać wnioski z opublikowanych artykułów naukowych. Odwiedź tę stronę aby uzyskać informacje na temat Dialogu Science X i sposobu wzięcia w nim udziału.

Jestem stażystą podoktorskim na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej w grupie Schafer. Moje badania skupiają się na projektowaniu katalizatorów do hydroaminoalkilowania poliolefin. Przed habilitacją ukończyłem doktorat. doktorat z chemii nieorganicznej i katalizy na Uniwersytecie w Ottawie, w grupie Baker.