《今日《Nature》重磅:热固性塑料迎来可降解、可回收再加工时代》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-07-23
  • 热固性聚合物约占全球塑料生产量的18%,全球年产量为6500万吨,在现代塑料和橡胶工业中发挥着至关重要的作用。热固性聚合物的高交联密度既赋予了它们高耐热性、高机械强度和耐化学腐蚀性等优异性质,同时又使其“几乎丧失了”降解和回收利用的可能。这使得大量商用热固性聚合物在使用后,难以逃脱被焚烧或填满的命运。

    面对高交联热固性聚合物的回收和利用问题,科学家们已经提出一些有效的策略。如基于动态共价键交换反应的vitrimers,虽然vitrimers兼具热固性聚合物的高交联度和热塑性聚合物的可再加工性,但是商用的热固性聚合物很少具备这些可以进行共价键交换的官能团,除非开发出商用且性能可比的vitrimers,否者它无法成为一种通用的策略。另一方面,可降解的交联剂作为另一种策略被用于橡胶的硫化/脱硫化过程中,然而通过破坏聚合物网络交联点方法获得的降解产物的性质较未硫化的原料有较大程度的下降,因此也不利于聚合物材料的回收。最后,利用催化氧化反应固然可以提高聚合物的降解速率,但是这一随机的降解方法也丧失了对于降解产物尺寸和功能性的控制。综上所述,我们可以发现,目前并没有一个较为通用方法去降解和回收热固性聚合物。

    针对这一问题,美国麻省理工学院化学系的Jeremiah A. Johnson教授课题组提出了一种利用与低成本单体共聚的方法,向热固性聚合物的“股线(strands)”中引入可降解基团的策略。他们以工业上广泛使用的高性能热固性聚合物——聚双环戊二烯(pDCPD)为例,展示了该策略的可行性。

    他们发现利用少量(10% v/v)的可降解环状硅醚单体(iPrSi,Nature Chemistry同款单体,可参考延伸阅读)与双环戊二烯共聚所获得热固体可以在维持原材料(pDCPD)优异性能的同时,赋予该聚合物网络可降解性和回收再加工性。他们通过对比实验还发现,即使使用高达80%(v/v)的可降解交联剂(SiXL),也无法获得可完全降解的热固性聚合物。该结果表明,在聚合物网络中,可降解基团的位置对于其降解能力具有至关重要的影响。这一普遍拓扑特征对于设计下一代可降解的热固性聚合物具有指导意义。该研究工作以“A Comonomer Strategy for Triggered Degradation and Re/Upcycling of HighPerformance Thermoset Plastics”为题,收录于最新一期《Nature》杂志上。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=576017
相关报告
  • 《MIT研发新方法 让用于汽车等产品的热固性塑料易被分解回收》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-08-24
    • 热固性材料包含环氧树脂、聚氨酯以及用于轮胎的橡胶,在汽车和电器等很多需要耐用性和耐热性能的产品中都有。不过,此种材料有一个缺点,在使用之后,不易被回收或分解,因为将它们连接在一起的化学键比其他材料(如热塑性塑料)更强。 据外媒报道,美国麻省理工学院(MIT)的化学家们现在研发了一种方法,可以采用一种化学连接器,让此类材料更容易被分解,同时仍能保持机械强度,以便再次投入使用。 研究人员表示,他们研发了一种称为pDCPD的可降解热固性塑料,可被分解成粉末,然后利用此类粉末制造更多的pDCPD。研究人员还提出一个理论模型,表明其方法可广泛应用于塑料和其他聚合物,如橡胶。 难以回收 热固性塑料和热塑性塑料是两大塑料。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯,通常用于塑料袋和其他一次性塑料,如食品包装袋。通过加热小的塑料颗粒,直至融化,再将其塑成所需的形状,最后冷却成固体,可制造出热塑性塑料。热塑性塑料约占全球塑料产量的75%,可通过再次加热直到变成液体,得以回收,从而可被重塑成新的形状。 热固性塑料也采用类似工艺制成,但是一旦从液体冷却成固体,就很难再回复到液体状态。这是因为聚合物分子之间形成的称为共价键的化学键,具有很强的化学附着力,很难被打破。研究人员表示,在被加热时,热固性塑料在成型之前通常会燃烧起来。“一旦它们被固定为一个特定的形状,就会一辈子保持这个形状,通常也没有简单的方法来进行回收。” MIT研究小组想要研发一种方法,既可以保持热固性塑料的强度和耐用性的优点,同时在使用后还可以更容易被分解。 去年,研究人员报道了一种方法,可通过加入含有硅醚基团的构建块或单体,生产用于药物输送系统的可降解聚合物。此种单体随机分布在整个材料中,而且当材料暴露在酸、碱或离子(如氟化物)中时,硅醚键就会断裂。 用于合成此类聚合物的化学反应也被用于制造一些热固性塑料,包括卡车和公交车车身面板的聚二环戊二烯(polydicyclopentadiene,pDCPD)。 研究人员采用了与2019年相同的策略,将硅醚单体添加到形成pDCPD的液体前体中,结果发现,如果硅醚单体占整个材料的7.5%至10%,pDCPD就可保持机械强度,但在接触到氟离子后就可以分解成可溶解的粉末。 新材料 在研究的第二阶段,研究人员试图重复使用此类粉末以形成一种新型pDCPD材料。在将该粉末溶解在用于制造pDCPD的前体溶剂中后,就能够利用回收的粉末制造新型pDCPD热固性塑料。 研究人员表示,如果可以为其他类型的聚合反应找到合适的可降解单体,此种方法也可用于制造其他可降解的热固性材料,如丙烯酸、环氧树脂、硅酮或硫化橡胶。 现在,研究人员们希望可以成立一家公司,将该技术实现商业化。MIT还向默克密理博(Millipore Sigma)独家授权了该项技术,以生产和销售用于研究的硅醚单体。
  • 《用糖制成的可回收塑料面世》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2022-01-20
    • 来自英国伯明翰大学和美国杜克大学的研究人员利用糖基原料而非石化衍生物,研制出了两种新的聚合物,它们拥有普通塑料的所有特质,但可降解和物理回收。其中一种聚合物像橡胶一样可拉伸;另一种则像大多数塑料一样坚固且有韧性。 在最新研究中,科学家们使用异碘化物和异甘露醇作为基础原料,制造出了上述新聚合物。异碘化物和异甘露醇这两种化合物都由糖醇制成,具有一个坚硬的原子环。研究人员发现,新研制出的异碘化物基聚合物的硬度和延展性与普通塑料相似,强度与尼龙-6等高性能工程塑料相似。值得注意的是,这些新聚合物材料在粉碎和热处理后仍拥有优异的机械性能,而粉碎和热处理是物理回收塑料的常用方法。 尽管异碘化物和异甘露醇仅仅两个键的三维空间指向(立体化学)不同,但与异碘化物基聚合物相比,异甘露醇基聚合物除了拥有相似的强度和韧性,还表现出高弹性,变形后能恢复其形状。借助计算机模拟,研究人员发现,糖衍生物独特的3D形状促进了聚合物长链的不同运动和相互作用,导致他们观察到这两种聚合物出现不同的物体特性。 此外,研究人员还发现,通过制造同时包含有异碘化物和异甘露醇单元的共聚物,可以分别控制这两种单元的机械性能和降解速率,为使用糖的独特形状独立调节特定用途塑料的降解性(而不会显著改变材料的其他性质)打开了大门。 伯明翰大学康纳·斯塔布斯博士表示:“石化基塑料目前面临极大的环境挑战。因此,我们可以另辟蹊径,研究其他独特的结构和形状,以创造出与当前商用塑料具有相同性能的更好塑料。”