化学家使坚韧的塑料可回收利用

热固性树脂，包括环氧树脂、聚氨酯和用于轮胎的橡胶，在许多需要耐用和耐热的产品中都有，如汽车或电器。这些材料的一个缺点是，它们在使用后通常不容易回收或分解，因为将它们连接在一起的化学键比其它材料(如热塑性塑料)更强。

麻省理工学院的化学家们现在已经开发出一种方法，用一种化学连接剂来修改热固性塑料，这种方法使材料更容易分解，但仍能保持使其如此有用的机械强度。

在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究人员表明他们可以生产一种被称为pDCPD的可降解热固性塑料，将其分解成粉末，然后用粉末制造更多的pDCPD。他们还提出了一个理论模型，表明他们的方法可以广泛应用于塑料和其他聚合物，比如橡胶。

“这项工作揭示了一个基本的设计原理，我们相信它适用于任何具有这种基本结构的热固性聚合物，”这项研究的资深作者、麻省理工学院的化学教授Jeremiah Johnson说。

Peyton Shieh，麻省理工学院美国癌症协会博士后研究员，是该论文的第一作者。

难以回收

热固性塑料和热塑性塑料是两大类塑料之一。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯，用于塑料袋和其他一次性塑料，如食品包装。这些材料是通过加热小的塑料颗粒，直到它们融化，然后将它们塑成所需的形状，再冷却成固体来制造的。

热塑性塑料约占全球塑料产量的75%，可以通过再次加热回收，直到它们变成液体，这样它们就可以被重塑成新的形状。

热固性塑料也是用类似的方法制造的，但是一旦它们从液体冷却成固体，就很难再回到液体状态。这是因为聚合物分子之间形成的化学键是一种很强的化学附着力，称为共价键，很难打破。约翰逊说，热固性塑料在被加热时，通常会在改造前燃烧。

他说:“一旦它们被固定在一个特定的形状上，它们就会一辈子保持这个形状。”“通常没有简单的方法回收它们。”

麻省理工学院的研究小组想要开发一种方法来保持热固性塑料的优点——它们的强度和耐用性——同时使它们在使用后更容易分解。

在去年发表的一篇以Shieh为第一作者的论文中，Johnson的研究小组报告了一种方法，通过加入含有硅醚基团的构建块或单体，来制造可降解的药物输送聚合物。这种单体随机分布在整个材料中，当材料暴露在酸、碱或离子(如氟化物)中时，硅醚键就会断裂。

用于合成这些聚合物的化学反应也用于制造一些热固性塑料，包括用于卡车和公共汽车车身面板的聚二环戊二烯(pDCPD)。

采用与他们2019年论文相同的策略，研究人员将硅醚单体添加到形成pDCPD的液体前体中。他们发现，如果硅醚单体占整个材料的7.5%到10%，pDCPD将保持其机械强度，但在接触氟离子后可以分解成可溶粉末。

“这是我们发现的第一件令人兴奋的事，”约翰逊说。“我们可以使pDCPD在不损害其有用的机械性能的情况下进行降解。”

新材料

在研究的第二阶段，研究人员试图重复使用得到的粉末形成一种新的pDCPD材料。将粉末溶解在用于制造pDCPD的前驱溶液中，他们能够用回收的粉末制造新的pDCPD热固性聚合物。

“与原始材料相比，这种新材料的机械性能几乎没有区别，而且在某些方面有所改善，”约翰逊说。“你可以用同样的方法将降解产物重新制成同样的热固性塑料，这令人兴奋。”

研究人员相信，这种通用的方法也可以应用于其他类型的热固性化学。在这项研究中，他们发现使用可降解的单体来形成单个的聚合物链比使用可降解的键将链交联在一起要有效得多，这种方法之前已经尝试过了。他们认为，这种可分裂链的方法可以用于生产许多其他种类的可降解材料。

“这是工程热固性塑料领域令人兴奋的进步，”伊利诺伊大学的化学教授杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)说，他没有参与这项研究。化学家们把大部分精力都花在了学习合成更好的塑料上，而投入到聚合物解构学上的化学研究却少得多。约翰逊的工作帮助填补了基础知识的这一重要空白，同时提供了具有技术意义的进步。”

Johnson说，如果可以找到适合其他类型聚合反应的可降解单体，这种方法可以用于制造其他热固性材料的可降解版本，如丙烯酸、环氧树脂、硅酮或硫化橡胶。

研究人员现在希望成立一家公司来授权并商业化这项技术。麻省理工学院还授予Millipore Sigma非独家许可证，以生产和销售硅醚单体用于研究目的。

SP Insight的新产品顾问、麻省理工学院(MIT) Deshpande技术创新中心的导师帕特里克•凯西(Patrick Casey)一直在与约翰逊和谢恩合作，对该技术进行评估，包括进行一些初步的经济建模和二级市场研究。

凯西说:“我们已经与一些领先的行业参与者讨论了这项技术，他们告诉我们，这项技术将有利于整个价值链的利益相关者。”“零部件制造商得到了一系列低成本的回收材料;设备制造商，如汽车公司，可以实现其可持续发展目标;回收商从热固性塑料中获得了新的收入来源。消费者看到了成本的节省，我们所有人都得到了一个更清洁的环境。”

这项研究由美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院资助。