摘要：隨著全球塑料污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)可降解、可回收的新型材料成為化學(xué)和材料科學(xué)的焦點(diǎn)。本文綜述了一項(xiàng)突破性研究：研究者基于植物油提取的長(zhǎng)鏈二醇，借助地殼豐富的錳催化劑，成功合成出一類聚乙烯（PE）類材料，并首次實(shí)現(xiàn)了其高效的閉環(huán)化學(xué)回收。該體系材料不僅具備與傳統(tǒng)高密度聚乙烯（HDPE）和線性低密度聚乙烯（LLDPE）相似甚至更優(yōu)的力學(xué)性能，而且能在不受常規(guī)染料、添加劑干擾的條件下實(shí)現(xiàn)多次高收率回收。研究從單體設(shè)計(jì)、催化聚合、材料性能調(diào)控，到閉環(huán)回收流程做了系統(tǒng)性探索，為構(gòu)建可持續(xù)塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)。

EDITOR

編者按

本研究為塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了一條真正可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)化學(xué)回收的路徑。從單體綠色合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能評(píng)估到高效回收，每一步都體現(xiàn)出對(duì)“綠色、高性能、可持續(xù)”材料體系的深刻理解與實(shí)踐。未來(lái)，若能進(jìn)一步提升其高溫性能、催化效率并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化放大，將有望真正推動(dòng)“無(wú)塑社會(huì)”的到來(lái)。該材料最大的亮點(diǎn)在于“閉環(huán)回收”與“綠色合成”并重，具備替代現(xiàn)有聚乙烯類材料的潛力。其不足之處主要在于軟化點(diǎn)偏低，不適合高溫環(huán)境使用，催化劑效率和成本雖優(yōu)于貴金屬，但仍需優(yōu)化。

李 編 博士

高分子物理與化學(xué)專業(yè)

進(jìn)入廢塑料化學(xué)循環(huán)領(lǐng)域4年，專注PET、PE、UPR等化學(xué)回收

圖1從生物基線性二醇和支鏈二醇聚合得到具有可調(diào)性能的PE類材料的催化閉環(huán)回收概述。

自上世紀(jì)中葉以來(lái)，聚烯烴類塑料（如HDPE、LLDPE）因其優(yōu)異的物理性能與成本優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)全球市場(chǎng)，成為年產(chǎn)量最大的高分子材料。然而，其固有的化學(xué)惰性，使其極難自然降解或高效回收，造成嚴(yán)重的“白色污染”與微塑料問(wèn)題。

現(xiàn)有回收方式如機(jī)械回收、裂解回收（如熱解、蒸汽裂解）或高溫催化裂解，不僅能耗大、選擇性差，還可能產(chǎn)生新污染物。更先進(jìn)的化學(xué)回收策略多依賴貴金屬催化劑（如Ru、Rh等），制備工藝復(fù)雜、原料成本高，難以規(guī)模化應(yīng)用。

因此，開(kāi)發(fā)一種來(lái)源于可再生資源、結(jié)構(gòu)接近聚乙烯、且能閉環(huán)化學(xué)回收的新型聚合物，是實(shí)現(xiàn)綠色塑料經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。

表1PE類聚合物的特性

研究亮點(diǎn)概述

本文提出了一種以可再生植物油為原料、使用地殼豐富金屬錳催化合成的新型聚乙烯類材料（PE-like polymer），通過(guò)“無(wú)受體脫氫聚合”（ADP）手段形成高分子，并首次實(shí)現(xiàn)：

• 在200°C以下實(shí)現(xiàn)高效脫氫聚合；

• 材料具有高度可調(diào)的力學(xué)性能，從熱塑型到彈性體均可覆蓋；

• 可在存在市售染料、添加劑、商用塑料雜質(zhì)等條件下實(shí)現(xiàn)>95%的閉環(huán)化學(xué)回收；

• 可通過(guò)注塑加工實(shí)現(xiàn)材料形態(tài)和用途的多樣性。

圖2聚合物的性質(zhì)可在不同的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)

研究?jī)?nèi)容與分析1. 單體設(shè)計(jì)與綠色合成

研究選用天然脂肪酸（如橄欖油中的油酸）為原料，通過(guò)油烯交聯(lián)與氫化反應(yīng)，分別制得線性單體M1與不飽和單體M2，并通過(guò)“硫醇-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)衍生出多個(gè)具有不同支鏈長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)的單體（M3-M6），構(gòu)建了具有良好模塊性的單體平臺(tái)。

這些單體均含有二醇官能團(tuán)，可用于ADP聚合，且轉(zhuǎn)化率均在95%以上，合成綠色、高效、成本低廉。

2. 替代Ru的錳催化體系

傳統(tǒng)的ADP反應(yīng)往往依賴于釕等貴金屬催化劑。本文首次系統(tǒng)比較了Fe、Co、Mn等非貴金屬催化劑活性，發(fā)現(xiàn)Mn-I配合物表現(xiàn)出最優(yōu)轉(zhuǎn)化率與聚合度，聚合產(chǎn)物的數(shù)均分子量達(dá)67.9–185.1 kDa，且分散度較小（<1.76），顯示出良好的聚合控制能力。

3. 材料結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控

通過(guò)調(diào)節(jié)線性單體M1與支鏈單體M3的比例，作者合成出一系列結(jié)晶度、彈性、粘附性差異顯著的聚合物。部分關(guān)鍵性能如下：

• 熱分解溫度（Td5）達(dá)395°C，接近HDPE（431°C）；

• 拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率優(yōu)于商業(yè)PE材料；

• Toughness高達(dá)180 MJ/m3，高于多數(shù)工程塑料；

• 即便添加紫外吸收劑、抗氧劑等添加物，也不影響其回收與力學(xué)性能。

圖3聚乙烯類材料的催化回收

4. 金屬表面粘附性測(cè)試

受硫醚基團(tuán)強(qiáng)金屬親和力啟發(fā)，研究者對(duì)比不同支鏈結(jié)構(gòu)下的金屬表面附著強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)含硫支鏈（如PE-18-S6-20）對(duì)不銹鋼、玻璃等材料表現(xiàn)出5.0 MPa的剪切強(qiáng)度，媲美市售強(qiáng)力膠J-B Kwik（5.0 MPa）。

5. 閉環(huán)回收流程驗(yàn)證

在溫和氫氣氛圍（140°C, 40 bar）下，催化劑Mn-I可將聚合物完全轉(zhuǎn)化為起始二醇單體，回收率>95%，即使在混合塑料廢棄物中也能實(shí)現(xiàn)高選擇性回收。

更重要的是，材料可多輪“聚合-回收-再聚合”循環(huán)，且回收后的材料力學(xué)性能無(wú)明顯衰減，具備工業(yè)化可行性。

（文章來(lái)源：Nature Chemistry， 點(diǎn)擊閱讀原文可查看原始文獻(xiàn)）

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