- 來(lái)源：降解塑料專委會(huì)
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- 發(fā)布時(shí)間：2025-03-27
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近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的聚合物化學(xué)家取得一項(xiàng)重大研究成果，他們發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)新方法，能夠?qū)?PMMA 塑料（即人們熟知的有機(jī)玻璃）近乎完全地分解為其單體結(jié)構(gòu)單元，并且這一過(guò)程不受添加劑存在的影響。
當(dāng)前，塑料回收領(lǐng)域存在諸多限制。常見(jiàn)的回收對(duì)象主要集中在收集分類后的 PET 或聚乙烯飲料瓶，這些塑料具有相似的化學(xué)成分、聚合物分子長(zhǎng)度，以及用于增強(qiáng)特定性能的添加劑，使得它們能夠通過(guò)熔化重塑的方式制成新瓶子。然而，對(duì)于其他種類繁雜的塑料，例如混合塑料，通常只能在水泥廠通過(guò)焚燒來(lái)獲取熱量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的回收利用。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的材料研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種具有開(kāi)創(chuàng)性的方法，首次達(dá)成了有機(jī)玻璃近乎完全的回收利用。該方法能夠?qū)⒂袡C(jī)玻璃的聚合物鏈分解為單個(gè)的單體結(jié)構(gòu)單元，隨后借助簡(jiǎn)單的蒸餾工藝進(jìn)行純化。這些純化后的單體可作為原生級(jí)起始產(chǎn)品，用于合成全新的有機(jī)玻璃聚合物。
有機(jī)玻璃，化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），全球年產(chǎn)量約 390 萬(wàn)噸。因其具備耐用、輕便等特性，在航空航天、汽車制造、屏幕顯示器生產(chǎn)以及建筑等眾多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。此次由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院聚合物材料實(shí)驗(yàn)室 Athina Anastasaki 領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的工藝，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表，展現(xiàn)出強(qiáng)大的適用性。無(wú)論是由 10,000 個(gè)單體結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的超長(zhǎng)聚合物鏈，還是含有共聚物、增塑劑、染料等各類添加劑的有機(jī)玻璃，該工藝都能高效應(yīng)對(duì)。即使是 DIY 市場(chǎng)的彩色有機(jī)玻璃，分解產(chǎn)物的產(chǎn)量也能維持在 94% - 98% 之間。
簡(jiǎn)便且高效的分解過(guò)程
“我們的工藝十分簡(jiǎn)便，”Anastasaki 強(qiáng)調(diào)，“僅需一種氯基溶劑，將溶解有回收混合物的溶液加熱至 90°C 至 150°C，在紫外線或可見(jiàn)光的輔助下，即可啟動(dòng)解聚反應(yīng)。”
一直以來(lái)，像有機(jī)玻璃這類由碳原子聚合物鏈組成的塑料，實(shí)現(xiàn)其碳鏈向單體的精準(zhǔn)分裂面臨巨大挑戰(zhàn)。這些均勻的碳鏈缺乏可供分裂反應(yīng)特定的作用位點(diǎn)，導(dǎo)致以往難以突破。目前工業(yè)上采用的熱解方法，需將碳鏈在 400°C 左右的高溫下進(jìn)行分解，不僅能源消耗巨大，而且反應(yīng)缺乏特異性，會(huì)產(chǎn)生多種切割產(chǎn)物，后續(xù)處理這些混合物的凈化成本高昂，極大地限制了熱解的經(jīng)濟(jì)效率。
過(guò)去幾年間，多個(gè)研究小組嘗試對(duì)聚合物進(jìn)行改性，在聚合物鏈末端引入易于分離的分子基團(tuán)，從而從鏈端觸發(fā)解構(gòu)過(guò)程，雖實(shí)現(xiàn)了 90% 以上的產(chǎn)量，但這種改性聚合物存在諸多弊端。一方面，需要先將其融入現(xiàn)有的塑料生產(chǎn)體系；另一方面，反應(yīng)性端基會(huì)嚴(yán)重影響聚合物的熱穩(wěn)定性，進(jìn)而限制其應(yīng)用范圍。此外，許多常用的塑料添加劑會(huì)降低反應(yīng)產(chǎn)率，使得解聚效果在商業(yè)塑料長(zhǎng)聚合物鏈的情況下大打折扣。
溶劑主導(dǎo)的反應(yīng)機(jī)制
就像化學(xué)中經(jīng)常發(fā)生的情況一樣，新方法是偶然發(fā)現(xiàn)的。Anastasaki 解釋道：“我們?cè)局铝τ趯ふ夷軌虼龠M(jìn)目標(biāo)分解為單體的特定催化劑，然而一次對(duì)照實(shí)驗(yàn)卻意外發(fā)現(xiàn)，催化劑并非必要條件。”
實(shí)驗(yàn)表明，溶解有機(jī)玻璃碎樣的氯化溶劑，在紫外光的作用下，足以實(shí)現(xiàn)聚合物的近乎完全分解。
研究人員深入探究分裂反應(yīng)后，揭示了其中令人驚嘆的機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)中的活性物質(zhì)是氯自由基。當(dāng)受到紫外線激發(fā)時(shí)，氯自由基從氯化溶劑中分離出來(lái)。高波長(zhǎng)光能夠破壞氯與溶劑分子之間的化學(xué)鍵，僅有極少部分溶劑分子能夠吸收高波長(zhǎng)的紫外線。
為深入研究該反應(yīng)機(jī)制，Anastasaki 借助了蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）其他研究團(tuán)隊(duì)的專業(yè)力量。高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的 Tae-Lim Choi 對(duì)相關(guān)分子的理論電子狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，分子物理科學(xué)研究所的 Gunnar Jeschke 則通過(guò)電子順磁共振測(cè)量，對(duì)理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
邁向更環(huán)保的改進(jìn)目標(biāo)
盡管這一成果意義重大，但研究人員并未滿足于此。ETH 的研究人員計(jì)劃在未來(lái)的回收過(guò)程中摒棄氯化溶劑的使用。Anastasaki 表示：“氯化化合物會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，因此我們的下一個(gè)目標(biāo)是改進(jìn)反應(yīng)，使其在無(wú)氯化溶劑的條件下仍能順利進(jìn)行。”
目前，該方法在實(shí)際應(yīng)用中的具體實(shí)施方式和時(shí)間尚未明確。不過(guò)，Anastasaki 及其研究團(tuán)隊(duì)無(wú)疑為塑料回收領(lǐng)域開(kāi)辟了新的方向，有望推動(dòng)更多此前難以分解回收的塑料實(shí)現(xiàn)有效利用，為可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)重要力量。