從2024 MRS春季研討會看功能材料、永續材料及機器學習在材料開發之應用(下)

 

刊登日期:2024/8/14
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魏宇昆 / 工研院材化所
三、永續材料技術
5. 將廢塑膠轉化為功能性材料和工業相關化學品
講者:Jason Y. Lim /新加坡IMRE 
塑膠作為生產工業相關含氧化合物的原料,全球相關市場規模超過每年100億美元(圖十三)。主要包括中長鏈脂肪二元酸和短鏈脂肪二元酸等塑料,可應用於製藥、聚合物、化工、塗料、化妝品以及食品飲料等多個相關行業。其中聚苯乙烯可轉化為苯甲酸,該化合物在殺菌、消炎鎮痛、食品防腐、香料和化學品生產等方面有廣泛用途。
 
Jason Y. Lim介紹如何將廢塑料升級轉化為有用的高價值產物,包括將廢PET瓶轉化為聚合物電解質用於能源儲存、從聚乙烯合成水溶性抗真菌聚合物、將廢聚苯乙烯轉化為大宗化學品苯甲酸。研究團隊透過優化反應條件和催化技術,可以提高從塑料原料生產工業化學品的效率,實現塑料資源的循環利用。Lim 博士討論使用有機催化劑和氧氣將塑膠轉化為有價值分子的創新方法,提出優化化學反應中分子量控制催化劑的案例研究,強調瞭解反應機制並在有利條件下選擇正確催化劑的重要性。
 
圖十三、廢塑料生產高值化學品技術方向
圖十三、廢塑料生產高值化學品技術方向
 
6. 將塑膠商品廢棄物升級為可自我修復和完全可回收材料的整體策略
講者:Haixu Du /南加大 
Haixu Du研究團隊利用提出了升級循環商品塑膠的整體策略 將廢棄物轉化為一類完全可回收和可自修復的聚合物,藉由表面羥基化(Hydroxylation)和香豆素(Coumarin)接枝改質以提高其機械性能,楊氏模量和彎曲強度均有所提高。用光敏感的香豆素衍生物,在不同波長的紫外線照射下可發生可逆的二聚和裂解反應。香豆素及其衍生物對光敏感,在光刺激下會發生不同波長的紫外線(UV)的不同反應。圖十四所示,在暴露於254 nm紫外光時會破壞材料內部的鍵結,香豆素發生二聚並形成環丁烯環;在365 nm紫外光下則會重新連接鍵結而實現修復。此特性賦予材料光可調的力學性能、可重複加工能力、光自我修復功能和可回收性。該策略適用於多種常見塑膠廢棄物如PS、PP、PET和PE,可將之轉化為高價值的多功能材料,提供一種新的塑膠廢棄物升值循環利用方法。
 
圖十四、光驅動自我修復(Light-activated Healing)材料
圖十四、光驅動自我修復(Light-activated Healing)材料
 
7. 逐步聚合塑料的選擇性解構與升值循環
講者:Nick Galan /美國橡樹嶺國家實驗室 
逐步聚合(Step-growth)的工程塑料,如PET、PA、PU和PC等,約占全球塑膠產量的30%,催化降解是化學回收的主要途徑之一。尤其是PET,儘管在化學回收方面取得進展,但大多數聚合物尚未被回收,因為難以節能方式解構為純結構單元,尤其是從混合狀態下進行解構。Nick Galan介紹Tomonori Saito實驗室團隊開發的一種特殊有機催化劑,可以以低能耗的方式解構各種工程塑料(PET、PA、PU、PC)至單體,回收率高達95%。這大幅降低了再生這些塑料的溫室氣體排放(82~95%)和能耗(68~94%)。團隊也利用不同塑料的溶解溫度差異,可以通過溫度控制將混合性的塑料分離,包括PET、尼龍、PC等。
 
Tomonori Saito團隊持續建立循環利用的聚合物系統,如圖十五所示。藉由選擇性解構,將已棄置的聚合物分解為定製長度的構造模塊,利用這些模塊進行升級循環製造新的聚合物材料,實現封閉迴路的循環利用。這種方法的主要步驟包括……
 
四、機器學習於材料開發之應用
3. 利用分子動力學和機器學習設計Vitrimer
講者:Aniruddh Vashisth /華盛頓大學
講者介紹使用分子動力學模擬和機器學習來設計新的vitrimer聚合物,研究團隊發展了一種名為「Accelerated ReaxFF」的新方法,可成功設計出具有目標性能的新型vitrimer化學組成。其從ZINC15、ChemSpider、PubChem等數據集,建立一個包含近1,000種vitrimer化學組成的數據集,並使用變分自編碼器(VAE)對其進行建模。VAE是一種生成模型,可學習數據集的隱含表示(Latent Representation)並從中生成新的數據樣本,此VAE模型可提供化學成分的差異性。圖十七顯示講者利用訓練好的VAE模型,經輸入所需的聚合物玻璃轉化溫度Tg即可生成新的聚合物結構,驗證使用VAE模型進行逆向設計,成功找到一些具有所需性能的新型Vitrimer候選化合物 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十七、對目標性能進行vitrimer聚合物逆向設計方法
圖十七、對目標性能進行vitrimer聚合物逆向設計方法
 

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