ORNL科学家利用聚合物编辑技术将废弃物升级再造为更高性能的塑料（未完）
来源：https://www.ornl.gov/news/polymer-editing-can-upcycle-waste-higher-performance-plastics  2025-02-13 16:44:17
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-15515.html       据外媒报道，通过编辑废弃塑料的聚合物，美国能源部橡树岭国家实验室（Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的化学家们找到了一种方法，可以生成比原材料更有价值的新大分子。升级再造可能有助于解决全球每年约4.5亿吨塑料废弃问题，而这些废弃塑料中只有9%得到回收利用，其余的则被焚烧或最终进入垃圾填埋场、海洋或其他地方。



       ORNL的发明可能会通过重新排列聚合物结构单元来定制塑料的性质，从而改变塑料的环境命运。分子亚基连接起来产生聚合物链，这些聚合物链可以通过其主链和交联分子连接起来，形成多用途塑料。聚合物链的组成决定了这些塑料的强度、刚性或耐热性。

       “这是用于编辑聚合物的CRISPR，”ORNL的Jeffrey Foster说道。“然而，我们不是编辑基因链，而是编辑聚合物链。这不是典型的塑料回收‘融化并希望得到最好结果’的情况。”

       ORNL的研究人员精确地编辑了对塑料废物有重大贡献的商品聚合物。在一些实验中，研究人员使用了软聚丁二烯，这种材料在橡胶轮胎中很常见。在其他实验中，他们使用了坚韧的丙烯腈丁二烯苯乙烯，塑料玩具、电脑键盘、通风管、防护头饰、车辆装饰和模具以及厨房用具的材料。

       “这是一种根本无法回收的废物流，”Foster表示。“我们利用这项技术解决了废物流中的一个重要组成部分。从节省目前进入垃圾填埋场的材料的质量和能量来看，这将产生相当大的影响。”

       溶解废弃聚合物是制造聚合物合成用直接添加剂的第一步。研究人员将合成或商用聚丁二烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯切碎，然后将材料浸入溶剂二氯甲烷中，在低温（40℃）下进行化学反应，时间不到两小时。

       钌催化剂促进了聚合或聚合物添加。工业公司已经使用这种催化剂制造坚固的塑料，并毫不费力地将植物油等生物质转化为燃料和其他高价值有机化合物，凸显了其在化学升级再造中的应用潜力。

       聚合物主链的分子构件包含功能团或原子簇，可作为改性的反应位点。值得注意的是，碳之间的双键增加了发生聚合反应的机会。碳环在双键处打开，形成聚合物链，随着每个功能聚合物单元直接滑入，聚合物链不断增长，从而保护了材料。塑料添加剂还有助于控制合成材料的分子量，进而控制其性质和性能。

       如果这种材料合成策略可以扩展到更广泛的工业重要聚合物，那么它将被证明是一种经济可行的路径，可以重复使用目前只能用于单一产品的制造材料。例如，升级后的材料可能比原来的聚合物更软、更有弹性，或者更容易成型和硬化成耐用的热固性产品。


       科学家们通过同时采用两种工艺对塑料废弃物进行了升级再造。这两种工艺都属于复分解反应（metathesis），即位置的变化。碳原子之间的双键断裂并重新形成，使得聚合物亚基得以交换。

       其中一种工艺称为开环复分解聚合（ring-opening metathesis polymerization），它打开碳环并将其延伸成链状结构。另一种工艺称为交叉复分解（cross metathesis），它将一个聚合物链中的聚合物亚基链插入到另一个聚合物链中。

       传统的回收方法无法充分挖掘废弃塑料的价值，因为它重复使用的是那些在每次熔融和再利用过程中因降解而价值降低的聚合物。相比之下，橡树岭国家实验室（ORNL）的创新升级再造方法利用现有的构建模块，将废弃材料的质量和特性整合进来，并提供额外的功能和价值。

       “这种新工艺具有很高的原子经济性，”福斯特（Foster）说。“这意味着我们几乎可以回收所有投入的材料。”

       ORNL的科学家们证明，与传统回收方法相比，该工艺能耗更低、排放更少，并且能够在不影响聚合物质量的情况下高效整合废弃材料。福斯特、伊利亚·波波夫斯（Ilja Popovs）和斋藤智纪（Tomonori Saito）共同构思了论文中的想法。尼古拉斯·加兰（Nicholas Galan）、以赛亚·迪什纳（Isaiah Dishner）和福斯特合成了单体亚基并优化了它们的聚合反应。约书亚·达姆龙（Joshua Damron）通过核磁共振光谱实验分析了反应动力学。杰基·郑（Jackie Zheng）、关超（Chao Guan）和拉赫曼（Anisur Rahman）则对最终材料的机械和热性能进行了表征。

       “我们的愿景是，这一概念可以扩展到任何具有某种可反应主链官能团的聚合物，”福斯特说。如果能够扩大规模并扩展到使用其他添加剂，就可以从更广泛的废弃物中提取分子构建模块，从而显著减少其他难以处理的塑料对环境的影响。这样一来，循环经济——即将废弃物重新利用而非丢弃——将成为一个更加现实的目标。

       接下来，研究人员有兴趣改变聚合物链中的亚基类型并重新排列它们，以探索是否能够创造出高性能的热固性材料。例如环氧树脂、硫化橡胶、聚氨酯和硅胶等。热固性材料一旦固化，由于其分子结构交联，无法再熔化或重塑，这使得它们的回收成为一个挑战。

       研究人员还希望在工业加工过程中优化溶剂，以实现环境可持续性。“这些废弃塑料需要进行一些预处理，我们仍需解决这个问题，”福斯特说。

       这项研究由美国能源部科学办公室和ORNL实验室指导研究与开发计划资助。 文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-15515.html