化學(xué)家使堅(jiān)韌的塑料可回收
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在許多必須耐用且耐熱的產(chǎn)品(例如汽車(chē)或電器)中發(fā)現(xiàn)了熱固性塑料，其中包括用于輪胎的環(huán)氧樹(shù)脂，聚氨酯和橡膠。這些材料的一個(gè)缺點(diǎn)是它們?cè)谑褂煤笸ǔ２蝗菀谆厥栈蚍纸猓驗(yàn)閷⑺鼈兘Y(jié)合在一起的化學(xué)鍵比在其他材料(如熱塑性塑料)中更牢固。
麻省理工學(xué)院的化學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種使用化學(xué)連接劑改性熱固性塑料的方法，該方法可使材料更容易分解，但仍能保持其機(jī)械強(qiáng)度，因此非常有用。
在今天出現(xiàn)在《自然》中的一項(xiàng)研究中，研究人員表明，他們可以生產(chǎn)可降解版本的熱固性塑料，稱(chēng)為pDCPD，將其分解為粉末，然后使用該粉末制造更多的pDCPD。他們還提出了一個(gè)理論模型，表明他們的方法可以適用于各種塑料和其他聚合物，例如橡膠。
麻省理工學(xué)院化學(xué)教授，該研究的資深作者耶利米·約翰遜(Jeremiah Johnson)說(shuō)：“這項(xiàng)工作揭示了一種基本的設(shè)計(jì)原理，我們認(rèn)為這種基本的設(shè)計(jì)原理對(duì)于任何一種熱固性塑料都是通用的。”
麻省理工學(xué)院美國(guó)癌癥學(xué)會(huì)博士后研究員佩頓·謝(Peyton Shieh)是該論文的第一作者。
難以回收
熱固性塑料是熱塑性塑料的兩大主要類(lèi)別之一。熱塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯，它們用于塑料袋和其他一次性塑料(如食品包裝紙)。這些材料是通過(guò)加熱塑料小顆粒直至其熔化，然后將它們模制成所需的形狀，然后使其冷卻成固體而制成的。
占全球塑料產(chǎn)量約75%的熱塑性塑料，可以通過(guò)再次加熱直至變成液態(tài)來(lái)進(jìn)行回收，因此可以將它們重新成型為新的形狀。
熱固性塑料是通過(guò)類(lèi)似的過(guò)程制成的，但是一旦將它們從液態(tài)冷卻成固態(tài)，很難使其恢復(fù)液態(tài)。這是因?yàn)樵诰酆衔锓肿又g形成的鍵是稱(chēng)為共價(jià)鍵的牢固化學(xué)連接，很難斷開(kāi)。約翰遜說(shuō)，加熱后，熱固性塑料通常會(huì)先燃燒，然后才能重新成型。
他說(shuō)：“一旦將它們?cè)O(shè)置為給定的形狀，它們將一生都處于這種形狀。” “通常沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)回收它們。”
MIT團(tuán)隊(duì)希望開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)保留熱固性塑料的優(yōu)點(diǎn)-強(qiáng)度和耐久性-同時(shí)使它們?cè)谑褂煤蟾菀追纸狻?/p>
在去年由Shieh作為主要作者的一篇論文中，Johnson的小組報(bào)告了一種通過(guò)摻入含甲硅烷基醚基團(tuán)的結(jié)構(gòu)單元或單體來(lái)創(chuàng)建可降解聚合物的方法。該單體無(wú)規(guī)分布在整個(gè)材料中，當(dāng)材料暴露于酸，堿或離子(如氟化物)時(shí)，甲硅烷基醚鍵斷裂。
用于合成這些聚合物的相同類(lèi)型的化學(xué)反應(yīng)也用于制造某些熱固性塑料，包括聚二環(huán)戊二烯(pDCPD)，用于卡車(chē)和公共汽車(chē)的車(chē)身面板。
研究人員使用其2019年論文中的相同策略，將甲硅烷基醚單體添加到形成pDCPD的液體前體中。他們發(fā)現(xiàn)，如果甲硅烷基醚單體占整體材料的7.5%至10%，則pDCPD將保留其機(jī)械強(qiáng)度，但在暴露于氟離子時(shí)會(huì)分解成可溶性粉末。
約翰遜說(shuō)：“這是我們發(fā)現(xiàn)的第一件事。” “我們可以使pDCPD降解，同時(shí)又不損害其有用的機(jī)械性能。”
新材料
在研究的第二階段，研究人員試圖將所得粉末再利用以形成新的pDCPD材料。將粉末溶解在用于制備pDCPD的前體溶液中后，他們能夠從回收的粉末中制備新的pDCPD熱固性塑料。
約翰遜說(shuō)：“與原始材料相比，新材料幾乎沒(méi)有區(qū)別，并且在某種程度上改善了機(jī)械性能。” “證明您可以使用降解產(chǎn)物，并使用相同的方法重新制造相同的熱固性塑料，這令人興奮。”
研究人員認(rèn)為，這種通用方法也可以應(yīng)用于其他類(lèi)型的熱固性化學(xué)。在這項(xiàng)研究中，他們表明使用可降解的單體形成聚合物的單鏈比使用可降解的鍵將鏈“交聯(lián)”在一起要有效得多，這已在以前嘗試過(guò)。他們認(rèn)為，這種可裂解鏈的方法可用于產(chǎn)生許多其他種類(lèi)的可降解材料。
約翰遜說(shuō)，如果能為其他類(lèi)型的聚合反應(yīng)找到合適種類(lèi)的可降解單體，則該方法可用于制造其他熱固性材料的可降解形式，例如丙烯酸，環(huán)氧樹(shù)脂，硅酮或硫化橡膠。
研究人員現(xiàn)在希望組建一家公司來(lái)許可該技術(shù)并將其商業(yè)化。麻省理工學(xué)院還授予Millipore Sigma非排他性許可，以生產(chǎn)和銷(xiāo)售用于研究目的的甲硅烷基醚單體。
帕特里克·凱西(Patrick Casey)是SP Insight的新產(chǎn)品顧問(wèn)，也是麻省理工學(xué)院Deshpande技術(shù)創(chuàng)新中心的導(dǎo)師，一直在與Johnson和Shieh合作評(píng)估該技術(shù)，包括進(jìn)行一些初步的經(jīng)濟(jì)建模和二級(jí)市場(chǎng)研究。
Casey說(shuō)：“我們已經(jīng)與一些領(lǐng)先的行業(yè)參與者討論了這項(xiàng)技術(shù)，他們告訴我們，它有望對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈的利益相關(guān)者有利。” “零件制造商可以獲得低成本的再生材料;汽車(chē)制造商等設(shè)備制造商可以實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)性目標(biāo);而熱固性塑料可以使再生商獲得新的收入來(lái)源。消費(fèi)者看到了成本的節(jié)省，我們所有人都得到了回報(bào)。更清潔的環(huán)境。”
