化学家们解决了回收混合塑料的艰巨挑战

诸平

Design of UDCs and their molecular and macromolecular features. Credit: Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05858-3

有关塑料污染及破解对策研究之前有过多篇博文介绍：

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今天介绍美国科罗拉多州立大学(Colorado State University简称CSU, Fort Collins, CO, USA)2023年4月26日提供的消息，化学家们解决了回收混合塑料的艰巨挑战（Chemists tackle the tough challenge of recycling mixed plastics）。

塑料在我们的日常生活中无处不在，但并非所有的塑料都是一样的，远非如此。以聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate）为例，这是一种用于制造汽水瓶和服装纤维的塑料。然后是高密度聚乙烯（ high-density polyethylene），洗发水瓶、牛奶罐和砧板都是由它制成的。别忘了用于包装的聚苯乙烯（polystyrene），或者低密度聚乙烯（low-density polyethylene），它们给我们提供了保鲜膜和购物袋。

所有这些都是塑料，它们是最广泛使用的聚合物大分子，由被称为单体（monomers）的小分子（small molecules）重复单元组成。消费后的塑料几乎总是作为混合废物流收集，产品通常由两种或两种以上的塑料制成。

坏消息是，这些物品虽然都是“塑料”，但在化学和物理上都是不相容的，而且没有好的工业方法可以再利用或再加工成其他有用的产品。这就是为什么你每周扔进垃圾箱的大多数“可回收物品”都要送往垃圾填埋场的原因。即使经过仔细的分类和分离成单独的塑料，机械回收通常产生劣质产品，称为降级回收（down-cycling）。

科罗拉多州立大学的聚合物化学家长期以来一直在寻找解决人类用塑料垃圾造成的环境问题的方法方面处于领先地位。现在，他们提出了一种基本的新化学方法，为回收混合用途塑料的挑战提供了一种创造性的解决方案。

在CSU化学系杰出教授尤金·陈（Eugene Y.-X. Chen）、美国哥伦比亚大学（Columbia University, New York, NY, USA）托米斯拉夫·罗维斯（Tomislav Rovis）教授(曾是CSU的教员)和萨拉特·库马尔（Sanat Kumar）教授的带领下，该团队设计了一种新的化学策略，将专门设计被称为通用动态交联剂(universal dynamic crosslinkers) 的小分子输送到混合塑料流中。

这些交联剂将以前不可混合的材料转化为一组可行的新聚合物，这些聚合物可以转化为新的、高价值的、可再处理的材料，这一过程被称为升级回收（upcycling）。相关研究结果于2023年4月26日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Ryan W. Clarke, Tobias Sandmeier, Kevin A. Franklin, Dominik Reich, Xiao Zhang, Nayan Vengallur, Tarak K. Patra, Robert J. Tannenbaum, Sabin Adhikari, Sanat K. Kumar, Tomislav Rovis, Eugene Y.-X. Chen. Dynamic crosslinking compatibilizes immiscible mixed plastics. Nature, 2023, 616: 731–739. Published: 26 April 2023 DOI: 10.1038/s41586-023-05858-3. www.nature.com/articles/s41586-023-05858-3

参与此项研究的除了来自美国CSU和美国哥伦比亚大学的研究人员之外，还有来自印度马德拉斯理工学院（India Institute of Technology Madras, Chennai, India）的研究人员。

动态交联剂（Dynamic crosslinkers）

当与少量添加的动态交联剂一起加热和加工时，混合塑料通过原位形成一种新材料而相互兼容，称为多嵌段共聚物（multiblock copolymer）。

萨拉特·库马尔将嵌段共聚物（block copolymers）比作肥皂分子，使水与油性污垢分子相容。“以类似的方式，这些新型的动态形成的‘肥皂’，即嵌段共聚物，可以相容混合塑料，使它们成为一种具有有用性能的新材料。”

这种升级回收的新方法不涉及原始聚合物的任何解构或重建，它引入了一种潜在的解决方案，可以重新利用消费后混合塑料中赋予的材料和能量，这些混合塑料通常最终被填埋。

该团队设计了他们的交联剂，并在各种塑料上进行了测试，包括混合聚乙烯Ziploc袋（polyethylene Ziploc bags）和聚交酯杯（polylactide cups）的样品，这些样品没有事先净化或去除添加剂或染料，这些添加剂或染料通常存在于消费后塑料产品中。他们将实验与模型研究结合起来，验证了交联剂诱导了新的多嵌段共聚物的形成。

托米斯拉夫·罗维斯说:“这个系统非常高效，它可以将三种不同的聚合物兼容成一种新材料。”

多次使用循环（Multiple use cycles）

尤金·陈说，研究人员认为，他们的新策略可以帮助实现在多个使用周期中重复使用混合塑料废物的最终目标。“一个关键的障碍是成本;我们谈论的是数百万吨的塑料垃圾，你必须考虑你需要多少这种动态交联剂，尽管我们目前在升级回收过程中只需要不到塑料（plastics）重量的5%。就像历史上的许多基本发现一样，一开始存在实际障碍，但我们对未来的潜力感到非常兴奋。”

本研究得到了美国能源部基础能源科学办公室（US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences under award no. DE-SC0022290）、美国能源部、能源效率和可再生能源办公室、先进制造办公室和生物能源技术办公室（US Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Advanced Manufacturing Office and Bioenergy Technologies Office, performed as part of the BOTTLE Consortium, which includes members from CSU）、美国国家可再生能源实验室（funded under contract no. DE-AC36-08GO28308 with the National Renewable Energy Laboratory）、美国国立卫生研究院主任办公室（Office of The Director, the National Institutes of Health under award no. S10OD026749）的资助或支持。在印度马德拉斯理工学院所做的工作得到了印度政府科学与工程研究委员会和印度国家超级计算任务{ Science and Engineering Research Board (SRG/2020/001045) and the National Supercomputing Mission (DST/NSM/R&D_HPC_Applications/2021/40) , Government of India}的部分支持。还有来自瑞士国家科学基金会提供的奖学金（Swiss National Science Foundation for a fellowship）以及德国亚历山大·冯·洪堡基金会提供的费奥多尔·林恩研究奖学金（Alexander von Humboldt Foundation for a Feodor Lynen Research Fellowship）的资助与支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Researchers turn Superglue into a recyclable, cheap, oil-free plastic alternative

Abstract

The global plastics problem is a trifecta, greatly affecting environment, energy and climate^1,2,3,4. Many innovative closed/open-loop plastics recycling or upcycling strategies have been proposed or developed^{5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}, addressing various aspects of the issues underpinning the achievement of a circular economy^17,18,19. In this context, reusing mixed-plastics waste presents a particular challenge with no current effective closed-loop solution²⁰. This is because such mixed plastics, especially polar/apolar polymer mixtures, are typically incompatible and phase separate, leading to materials with substantially inferior properties. To address this key barrier, here we introduce a new compatibilization strategy that installs dynamic crosslinkers into several classes of binary, ternary and postconsumer immiscible polymer mixtures in situ. Our combined experimental and modelling studies show that specifically designed classes of dynamic crosslinker can reactivate mixed-plastics chains, represented here by apolar polyolefins and polar polyesters, by compatibilizing them via dynamic formation of graft multiblock copolymers. The resulting in-situ-generated dynamic thermosets exhibit intrinsic reprocessability and enhanced tensile strength and creep resistance relative to virgin plastics. This approach avoids the need for de/reconstruction and thus potentially provides an alternative, facile route towards the recovery of the endowed energy and materials value of individual plastics.