化学家使坚韧的塑料可回收

在许多必须耐用且耐热的产品(例如汽车或电器)中发现了热固性塑料，其中包括用于轮胎的环氧树脂，聚氨酯和橡胶。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，因为将它们结合在一起的化学键比在其他材料(如热塑性塑料)中更牢固。

麻省理工学院的化学家现在已经开发出一种使用化学连接剂改性热固性塑料的方法，该方法可使材料更容易分解，但仍能保持其机械强度，因此非常有用。

在今天出现在《自然》中的一项研究中，研究人员表明，他们可以生产可降解版本的热固性塑料，称为pDCPD，将其分解为粉末，然后使用该粉末制造更多的pDCPD。他们还提出了一个理论模型，表明他们的方法可以适用于各种塑料和其他聚合物，例如橡胶。

麻省理工学院化学教授，该研究的资深作者耶利米·约翰逊(Jeremiah Johnson)说：“这项工作揭示了一种基本的设计原理，我们认为这种基本的设计原理对于任何一种热固性塑料都是通用的。”

麻省理工学院美国癌症学会博士后研究员佩顿·谢(Peyton Shieh)是该论文的第一作者。

难以回收

热固性塑料是热塑性塑料的两大主要类别之一。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯，它们用于塑料袋和其他一次性塑料(如食品包装纸)。这些材料是通过加热塑料小颗粒直至其熔化，然后将它们模制成所需的形状，然后使其冷却成固体而制成的。

占全球塑料产量约75%的热塑性塑料，可以通过再次加热直至变成液态来进行回收，因此可以将它们重新成型为新的形状。

热固性塑料是通过类似的过程制成的，但是一旦将它们从液态冷却成固态，很难使其恢复液态。这是因为在聚合物分子之间形成的键是称为共价键的牢固化学连接，很难断开。约翰逊说，加热后，热固性塑料通常会先燃烧，然后才能重新成型。

他说：“一旦将它们设置为给定的形状，它们将一生都处于这种形状。” “通常没有简单的方法来回收它们。”

MIT团队希望开发一种方法来保留热固性塑料的优点-强度和耐久性-同时使它们在使用后更容易分解。

在去年由Shieh作为主要作者的一篇论文中，Johnson的小组报告了一种通过掺入含甲硅烷基醚基团的结构单元或单体来创建可降解聚合物的方法。该单体无规分布在整个材料中，当材料暴露于酸，碱或离子(如氟化物)时，甲硅烷基醚键断裂。

用于合成这些聚合物的相同类型的化学反应也用于制造某些热固性塑料，包括聚二环戊二烯(pDCPD)，用于卡车和公共汽车的车身面板。

研究人员使用其2019年论文中的相同策略，将甲硅烷基醚单体添加到形成pDCPD的液体前体中。他们发现，如果甲硅烷基醚单体占整体材料的7.5%至10%，则pDCPD将保留其机械强度，但在暴露于氟离子时会分解成可溶性粉末。

约翰逊说：“这是我们发现的第一件事。” “我们可以使pDCPD降解，同时又不损害其有用的机械性能。”

新材料

在研究的第二阶段，研究人员试图将所得粉末再利用以形成新的pDCPD材料。将粉末溶解在用于制备pDCPD的前体溶液中后，他们能够从回收的粉末中制备新的pDCPD热固性塑料。

约翰逊说：“与原始材料相比，新材料几乎没有区别，并且在某种程度上改善了机械性能。” “证明您可以使用降解产物，并使用相同的方法重新制造相同的热固性塑料，这令人兴奋。”

研究人员认为，这种通用方法也可以应用于其他类型的热固性化学。在这项研究中，他们表明使用可降解的单体形成聚合物的单链比使用可降解的键将链“交联”在一起要有效得多，这已在以前尝试过。他们认为，这种可裂解链的方法可用于产生许多其他种类的可降解材料。

约翰逊说，如果能为其他类型的聚合反应找到合适种类的可降解单体，则该方法可用于制造其他热固性材料的可降解形式，例如丙烯酸，环氧树脂，硅酮或硫化橡胶。

研究人员现在希望组建一家公司来许可该技术并将其商业化。麻省理工学院还授予Millipore Sigma非排他性许可，以生产和销售用于研究目的的甲硅烷基醚单体。

帕特里克·凯西(Patrick Casey)是SP Insight的新产品顾问，也是麻省理工学院Deshpande技术创新中心的导师，一直在与Johnson和Shieh合作评估该技术，包括进行一些初步的经济建模和二级市场研究。

Casey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，它有望对整个价值链的利益相关者有利。” “零件制造商可以获得低成本的再生材料;汽车制造商等设备制造商可以实现其可持续性目标;而热固性塑料可以使再生商获得新的收入来源。消费者看到了成本的节省，我们所有人都得到了回报。更清洁的环境。”