從分子層面上看，塑料是通過將小單體分子像項鏈中的珠子一樣串在一起，形成長聚合物鏈而制成的。然而，并不是所有的塑料，或者所有塑料的聚合物都是一樣的。聚合物越長越堅固，材料就越耐用。
康奈爾大學的研究人員采用中等單體，通過使用特殊催化劑，創(chuàng)造了一種可以形成長鏈的更堅韌的聚合物。然后，聚合物可以在酸催化劑的作用下輕松解聚回單體狀態(tài)，從而形成一種可化學回收的熱塑性塑料，可與最流行的塑料、聚乙烯和聚丙烯競爭。
研究論文“Chemically Recyclable Thermoplastics from Reversible-Deactivation Polymerization of Cyclic Acetals ”于 8 月 13 日發(fā)表在《科學》雜志上。主要作者是前博士后研究員 Brooks Abel 和Rachel Snyder 博士。
研究人員用一種叫做二氧戊環(huán)的環(huán)狀縮醛單體構建聚合物。這種單體是由潛在的生物可再生甲醛和乙二醇原料合成的。聚縮醛是制造可回收熱塑性塑料的有力候選者，因為它們在 300 攝氏度以上是穩(wěn)定的，但在相對較低的溫度下(通常低于 150 攝氏度)經(jīng)由酸催化劑的作用就會解聚。它們也很便宜，且可以從生物渠道獲取。然而，聚縮醛尚未見有先例使用，因為聚合物鏈通常太短而無法達到商業(yè)應用所需的機械強度。
“我們想開發(fā)一種新的方法來制造聚縮醛，讓我們能夠控制聚合物鏈的長度，”Abel 說，“最終，我們能夠制造出真正的高分子量聚縮醛，與更脆的低分子量聚縮醛相比，它們將具有驚人的延展性和強度。”
使用稱為可逆失活陽離子開環(huán)聚合的過程，研究人員能夠?qū)误w連接成具有高分子量和高拉伸強度的 PDXL 長鏈。由此產(chǎn)生的熱塑性塑料足夠堅固和柔韌，可用于包裝產(chǎn)品等大規(guī)模應用。該團隊通過創(chuàng)建幾個原型產(chǎn)品展示了這種潛力，包括保護袋、模制包裝和亞馬遜用來填充盒子的那種充氣氣枕。
“目前，近 40% 的塑料用于包裝產(chǎn)品，這些產(chǎn)品會被短暫使用然后被丟棄，”Snyder 說，“PDXL 具有包裝所需的強度，但我們可以使用非常有效的化學回收過程收集和重新利用它，而不是將其丟棄。這使其成為循環(huán)聚合物經(jīng)濟的完美候選者。”
回收過程非常高效，以至于 PDXL 甚至可以從復雜的塑料廢物混合物中解聚。該團隊將 PDXL 與其他商品塑料(如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯和聚苯乙烯)混合。在使用可重復使用的酸催化劑并加熱后，他們能夠回收 96% 的純二氧戊環(huán)單體，這表明它可以很容易地與染料和增塑劑等常見污染物分離。然后將回收的單體再聚合成 PDXL，說明聚縮醛化學回收的循環(huán)性。
這指出了該聚合物最重要的屬性——可持續(xù)性。
制造這些塑料需要大量化石燃料，而普通聚乙烯或聚丙烯的碳足跡非常糟糕。所以我們必須更好地制作它們。與其使用所有這些能量從地下開采石油并將其分解成小塊并消耗所有這些能量，這一研究成果使得我們僅僅需要通過加熱聚合物就能夠重新獲得單體成分。
