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。