摘要：聚酰胺（PA，尼龍）是一種普遍存在的高性能塑料，廣泛應用于各種應用中。它們對許多常見溶劑的高耐受性和在強酸或強堿中水解的傾向對低排放材料回收（即資源分離和回收）造成了主要障礙。在本研究中，首次詳細研究了聚酰胺溶解的分子機理，發(fā)現(xiàn)在甲酸中引入弱氫鍵助溶劑可以有效地調節(jié)溶劑-溶劑和溶劑-聚合物相互作用，大大加速了常見的室溫溶解動力學，（短鏈）聚酰胺，如PA6和PA66，以及長鏈和半芳香族品種。回收的聚合物在其化學結構或性能方面沒有變化，并且足夠的選擇性允許填料如短纖維和長纖維，無機納米顆粒，金屬，和其它混合的聚合物相以高效率（>95%）沿著回收，同時所有溶劑再循環(huán)（>98%）。這一新方法有可能使聚酰胺回收更具可持續(xù)性和經(jīng)濟性，因為它減少了從汽車和電氣部件、紡織品等中分離和回收各種組成材料所需的能源投入和二氧化碳排放。

研究背景

尼龍因其耐高溫、強度大、耐化學腐蝕等特性，被廣泛用于汽車、電器、紡織、漁網(wǎng)等行業(yè)，年產(chǎn)量達800萬噸，全球市場規(guī)模超400億美元。然而，其化學結構穩(wěn)定，難以被一般溶劑溶解，且常與玻璃纖維、金屬等高附加值材料復合使用，進一步加大了回收難度。

傳統(tǒng)回收方法有三種：

1. 機械回收：直接粉碎再造粒，操作簡單但性能大打折扣；

2. 化學回收：高溫裂解再重聚，產(chǎn)品質量好，但能耗高達180～300℃；

3. 物理回收（溶解/沉淀）：較溫和，但受限于溶劑選擇，需高溫，溶解速度慢。

因此，開發(fā)一種常溫、快速、低排放的溶解-回收新技術成了學界難題。

研究方法

本研究的核心在于：找到了加快尼龍在溶劑中“常溫溶解”的辦法。主要思路如下：

1. 采用“共溶劑策略”

使用“甲酸（FA）+弱氫鍵供體溶劑”組合，比如FA與二氯甲烷（DCM）按1:1比例混合。

組合溶劑的特點：

• FA能溶解短鏈尼龍（如PA6、PA66），但速度慢（需數(shù)小時至一天）；

• 加入DCM后，不僅不影響甲酸的溶解力，反而打亂了FA之間的強氫鍵結構，更好地與尼龍分子結合；

• 同時，DCM對尼龍分子中的“亞甲基鏈”表現(xiàn)出很強的親和性（范德華力強），促進鏈段解纏與擴散；

• 結果是：常溫下，1小時以內即可完全溶解尼龍，且無需攪拌或加熱！

研究者通過紅外光譜和量子化學計算發(fā)現(xiàn)，弱氫鍵的溶劑組合能有效破壞尼龍晶體內原本穩(wěn)定的氫鍵，促進“解晶+溶解”全過程。

3. 應用驗證

無論是短鏈（PA6、PA66）、長鏈（PA11、PA12）還是半芳香族尼龍（PA6I/6T），在該溶劑體系下均能快速溶解。甚至實際的復合材料——如含碳纖維、玻璃纖維、銅粉的電子廢料——也能被精準分離回收。

研究結1. 尼龍原樣回收：無結構降解、無力學性能損失

再生后的PA6和PA66在分子量、紅外特征、結晶度及拉伸性能上幾乎和原始材料一致（回收率高達99.2%）。

2. 溶劑可循環(huán)使用：>98%回收率

FA和DCM等溶劑經(jīng)蒸餾回收后基本無損耗，可循環(huán)使用，降低成本。

3. 副材料高效回收

玻璃纖維、碳纖維、金屬粒子等“填料”均可通過簡單的離心沉淀方式回收，表面無損傷。

4. 能耗與碳排放大幅降低

• 相比傳統(tǒng)回收工藝（如化學裂解），碳排減低80%；

• 初步估算每公斤PA6的回收只產(chǎn)生0.8公斤CO?當量，能耗僅16 MJ/kg。

（1）廢漁網(wǎng)再利用：從漁網(wǎng)中回收PA6和鉛顆粒，并通過一鍋法制成導熱性能優(yōu)良的碳納米管復合材料；

（2）廢舊紡織物升級：從舊衣服中提取尼龍與碳纖維疊層制成輕質復合板，性能超過85%原始產(chǎn)品；

（3）汽車/電子拆解：可將復雜部件中的塑料、金屬、阻燃劑等快速分離，實現(xiàn)“全組件回收”。

圖文解析

圖1.（a）聚酰胺（PA）組件和產(chǎn)品，從結構/電氣復合材料到紡織品。高價值組件通常包含與有價值的次級材料混合的聚酰胺；（b）傳統(tǒng)的基于溶解的方法涉及通過溶解度參數(shù)選擇溶劑（例如，HSP）理論并且需要高溫和相對長的處理時間，（c）這項工作表明，共溶劑策略加速了PA在室溫下在甲酸中的溶解，導致能源消耗和總體碳足跡的前所未有的減少

圖2.(a)照片和（B）室溫下溶解的PA 6粒料的質量變化測量（無攪拌）；（c）具有不同固體濃度和共溶劑分數(shù)的PA 6溶液的表觀粘度；（d）晶體溶解期間固-液界面的示意圖，其中km是根據(jù)Noyes-Whitney模型的跨越邊界層（厚度lb）的傳質的量度；（e）共溶劑分數(shù)對傳質系數(shù)km和總溶解時間的影響

圖3.（a）FA（FF）、DCM（CC）和FA/DCM（FC）二聚體的分子靜電勢（MEP）、結合能（kJ/mol）和H-鍵長（OJ）;（b）FA與不同助溶劑級分（fDCM）的FTIR光譜，以及（c）FA的開放（FFo）和封閉（FFc）以及單體（F）形式的放大羰基區(qū)域（具有去卷積峰），（d）對于不同的共溶劑級分，代表（c）中所示的每種相互作用的羰基譜帶的積分面積的變化；(e)代表a相晶體和溶劑相互作用位點示意圖的氫鍵PA6低聚物的結構和MEP；（f）FA和DCM在每個結合位點的近似結合能；（g）總溶劑化能DGsolv和近似氫鍵和vdW分量

圖4.（a）共溶劑增強的聚酰胺溶解動力學的擬議機制的圖示：弱氫鍵溶劑破壞了強FA網(wǎng)絡，增加了溶劑-聚合物相互作用，加速了脫羧過程。在純FA中，溶劑-溶劑相互作用（FF）和溶劑-酰胺相互作用（SP）較強，而溶劑-亞甲基相互作用（SP）較弱，相比之下，DCM調節(jié)H-鍵合的溶劑網(wǎng)絡以減弱溶劑-溶劑相互作用（FC），而在酰胺和亞甲基位點處的SP都是強的；（b）觀察到的溶解速率（每單位表面積每單位時間PA鏈的摩爾數(shù)）與溶劑-聚合物相互作用（溶劑化能）和溶劑-共溶劑相互作用之間的差之間的連續(xù)關系

圖5.（a）基于溶解的再循環(huán)方案示意圖，附有具體示例條件下的照片。在不需要攪拌的情況下，在室溫下將兩種或更多種第二材料（具有或不具有第二材料，SM）溶解在共溶劑體系中，產(chǎn)生PA溶液，其可以在沉淀、洗滌和干燥之前分離成SM和PA。共溶劑和反溶劑允許它們通過順序蒸發(fā)完全回收;（b）在一個溶解/再生循環(huán)之前和之后，PA6、PA66和PPA（PA6I/6T）的分子量（Mw）和多分散指數(shù)（PDI）;（c）原始和再生（純）PA 6的FTIR光譜，（d）DSC掃描，和（e）拉伸應力-應變曲線

圖6.（a）各種PA基模塑料的RT溶解：PA6、PA66、PA11、PA12、PA6I/6T、碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）、納米粘土（云母、絹云母）;符號表示復合物的種類，插圖是溶液的照片（b）由全球變暖潛能值度量描述的碳足跡，（全球升溫潛能值，千克CO2當量/千克材料）和一次能源需求不同回收方法的純PA6（PED，兆焦耳/公斤材料）（c）從PA基復合材料中回收的碳纖維和玻璃纖維的全球升溫潛能值和壓力釋放值;插圖是（b）中GF誤差條的放大圖，（c）如果溶劑回收效率降低，則代表保守值；（d）將基于共溶劑的溶解方法應用于實際的汽車和電氣部件：在原始狀態(tài)下，從模型和真實的成分中有效地回收了通常與PA一起使用的SM（玻璃纖維、銅、PI、阻燃劑）

圖7.（a）功能復合材料的快速、RT溶解/分離和制造：將暴露于人工海水中3個月的漁網(wǎng)在室溫下在共溶劑體系中快速溶解并分離以回收PA6、PE和Pb，然后通過一鍋法溶液混合和注射成型分散碳納米管（CNT）以制造rPA6/CNT試樣；（b）拉伸行為和（c）回收/升級循環(huán)的PA6的熱導率；（d）回收/升級循環(huán)的PA6材料的性能總結；（e）rPA6/CNT的多功能性能（在強度和導熱性方面）與類似報道的復合材料相比（f）結構復合材料的快速、RT溶解/分離和制造：含PA6和聚氨酯的廢舊紡織品（與染料一起被DMSO沿著除去）在室溫下迅速溶解在共溶劑體系中并沉淀以回收PA6，然后使用共溶劑體系與預先回收的編織碳纖維（rCF）層壓；碳纖維層壓板和碳納米管納米復合材料的碳足跡和經(jīng)濟分析：（一）全球升溫潛能值，（j）PED，和（k）MSP

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總結

該研究首次提出以“弱氫鍵調控共溶劑”實現(xiàn)常溫快速溶解尼龍的新策略，徹底打破了以往“高溫溶解”的技術瓶頸。不僅溶解速度提高10倍以上，還大幅降低能耗和碳排，兼顧了效率、環(huán)保與經(jīng)濟性。與昂貴、毒性大的氟化溶劑相比，甲酸+二氯甲烷體系成本更低、操作更安全、環(huán)境適應性更強。更重要的是，該策略具有極強的通用性，適配多種尼龍和填充材料，在面對復雜混合廢料時也可“有的放矢”地精準分離。這為整個廢塑料回收行業(yè)提供了一種可規(guī)模化推廣的新思路。隨著未來綠色溶劑的加入（如生物基溶劑），這種“智能共溶劑溶解”方案有望應用到更多高值塑料的回收上，成為實現(xiàn)碳中和目標的重要技術抓手。

（文章來源：Angewandte Chemie International Edition，點擊閱讀原文可查看原始文獻）

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