塑料废物的变革：科学家开发新方法转化为有价值的材料

来自 实验室仪器网

通过编辑废弃塑料的聚合物，能源部橡树岭国家实验室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，其中只有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。

分子编辑前景广阔，曾两次获得诺贝尔化学奖，该奖项授予了复分解反应的开发者，该反应可以打断和生成环和链中碳原子之间的双键，使它们的亚基可以交换，从而产生新的分子，这仅受想象力的限制。同样，该奖项授予了CRISPR的开发者，CRISPR是一种用于编辑DNA链的“基因剪刀”，DNA链是由携带生命密码的核苷酸亚基组成的生物聚合物。

研究人员精确编辑了造成大量塑料垃圾的商品聚合物。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，这种材料可用于制作塑料玩具、电脑键盘、通风管、防护帽、汽车内饰和模具以及厨房用具。

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摄氏度）下进行化学反应，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，凸显了其在化学循环利用中的应用潜力。

聚合物主链的分子结构单元包含功能基团或原子簇，可作为改性反应位点。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方法，可以重复利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始聚合物更柔软、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物进行了升级再造。这两种工艺都是复分解反应，也就是换位反应。碳原子之间的双键断裂并重新形成，使聚合物亚基可以互换。

一种过程称为开环复分解聚合，打开碳环并将其拉长成链。另一种过程称为交叉复分解，将聚合物亚基链从一个聚合物链插入到另一个聚合物链中。

传统的回收方法无法体现废弃塑料的价值，因为其回收的聚合物在每次熔化和再利用过程中都会因降解而价值降低。相比之下，ORNL的创新升级再造利用现有的构件来整合废料的质量和特性，并提供额外的功能和价值。

新工艺具有很高的原子经济性。这意味着我们几乎可以回收所有投入的材料。科学家证明，与传统的回收方式相比，该工艺消耗更少的能源，产生的排放更少，能够高效地整合废料，同时不会损害聚合物的质量。

接下来，研究人员感兴趣的是改变聚合物链中亚基的类型并重新排列它们，看看它们是否能制造出高性能的热固性材料。例如环氧树脂、硫化橡胶、聚氨酯和硅树脂。热固性材料一旦固化，就无法重新熔化或重塑，因为它们的分子结构是交联的。这使得它们的回收成为一个挑战。

研究人员还对在工业加工过程中优化溶剂以实现环境可持续性感兴趣。

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