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《科学》:新型聚合物可实现加热即可回收的塑料

前瞻网    2021-08-16 17:40

 

《科学》:新型聚合物可实现加热即可回收的塑料

从分子层面上看,塑料是通过将小单体分子像项链中的珠子一样串在一起,形成长聚合物链而制成的。然而,并不是所有的塑料,或者所有塑料的聚合物都是一样的。聚合物越长越坚固,材料就越耐用。

康奈尔大学的研究人员采用中等单体,通过使用特殊催化剂,创造了一种可以形成长链的更坚韧的聚合物。然后,聚合物可以在酸催化剂的作用下轻松解聚回单体状态,从而形成一种可化学回收的热塑性塑料,可与最流行的塑料、聚乙烯和聚丙烯竞争。

研究论文“Chemically Recyclable Thermoplastics from Reversible-Deactivation Polymerization of Cyclic Acetals ”于 8 月 13 日发表在《科学》杂志上。主要作者是前博士后研究员 Brooks Abel 和Rachel Snyder 博士。

研究人员用一种叫做二氧戊环的环状缩醛单体构建聚合物。这种单体是由潜在的生物可再生甲醛和乙二醇原料合成的。聚缩醛是制造可回收热塑性塑料的有力候选者,因为它们在 300 摄氏度以上是稳定的,但在相对较低的温度下(通常低于 150 摄氏度)经由酸催化剂的作用就会解聚。它们也很便宜,且可以从生物渠道获取。然而,聚缩醛尚未见有先例使用,因为聚合物链通常太短而无法达到商业应用所需的机械强度。

“我们想开发一种新的方法来制造聚缩醛,让我们能够控制聚合物链的长度,”Abel 说,“最终,我们能够制造出真正的高分子量聚缩醛,与更脆的低分子量聚缩醛相比,它们将具有惊人的延展性和强度。”

使用称为可逆失活阳离子开环聚合的过程,研究人员能够将单体连接成具有高分子量和高拉伸强度的 PDXL 长链。由此产生的热塑性塑料足够坚固和柔韧,可用于包装产品等大规模应用。该团队通过创建几个原型产品展示了这种潜力,包括保护袋、模制包装和亚马逊用来填充盒子的那种充气气枕。

“目前,近 40% 的塑料用于包装产品,这些产品会被短暂使用然后被丢弃,”Snyder 说,“PDXL 具有包装所需的强度,但我们可以使用非常有效的化学回收过程收集和重新利用它,而不是将其丢弃。这使其成为循环聚合物经济的完美候选者。”

回收过程非常高效,以至于 PDXL 甚至可以从复杂的塑料废物混合物中解聚。该团队将 PDXL 与其他商品塑料(如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯和聚苯乙烯)混合。在使用可重复使用的酸催化剂并加热后,他们能够回收 96% 的纯二氧戊环单体,这表明它可以很容易地与染料和增塑剂等常见污染物分离。然后将回收的单体再聚合成 PDXL,说明聚缩醛化学回收的循环性。

这指出了该聚合物最重要的属性——可持续性。

制造这些塑料需要大量化石燃料,而普通聚乙烯或聚丙烯的碳足迹非常糟糕。所以我们必须更好地制作它们。与其使用所有这些能量从地下开采石油并将其分解成小块并消耗所有这些能量,这一研究成果使得我们仅仅需要通过加热聚合物就能够重新获得单体成分。

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