生產(chǎn)熱固性塑料的新方法使它們在使用后更容易分解。

熱固性塑料應用

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)是它們在使用后通常不容易回收或分解，因為將它們結合在一起的化學(xué)鍵比其他材料（如熱塑性塑料）中的化學(xué)鍵更牢固。

麻省理工學(xué)院的化學(xué)家們現在已經(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，該方法使材料更容易分解，但仍保留了機械強度，因此非常有用。

如何生產(chǎn)熱固性塑料

在《自然》雜志上發(fā)表的一項研究中，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，將其分解成粉末，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多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)：“這項工作揭示了一種基本的設計原理，我們認為這種基本的設計原理對于任何一種熱固性塑料都是通用的?！甭槭±砉W(xué)院美國癌癥學(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，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)再次加熱直到變成液態(tài)而進(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體冷卻成固體，很難使其恢復液態(tài)。這是因為在聚合物分子之間形成的鍵是稱(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)：“一旦將它們設置為給定的形狀，它們就將在整個(gè)生命周期中處于這種形狀?！?“通常沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)回收它們?！?/p>

麻省理工學(xué)院的團隊希望開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)保留熱固性塑料的優(yōu)點(diǎn)”強度和耐用性”，同時(shí)使它們在使用后更容易分解。

在去年由Shieh作為主要作者的一篇論文中，Johnson研究小組報告了一種通過(guò)摻入含有甲硅烷基醚基團的結構單元或單體來(lái)創(chuàng )建可降解聚合物以進(jìn)行藥物輸送的方法。該單體無(wú)規分布在整個(gè)材料中，當材料暴露于酸，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化學(xué)反應類(lèi)型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，如果甲硅烷基醚單體占整體材料的7.5％至10％，則pDCPD將保持其機械強度，但在暴露于氟離子時(shí)會(huì )分解成可溶性粉末。

“這是我們發(fā)現的第一件事，”約翰遜說(shuō)?！拔覀兛梢允筽DCPD可降解，同時(shí)又不損害其有用的機械性能?！?/p>

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)有區別，并且在某種程度上改善了機械性能?！?“表明您可以使用降解產(chǎn)物并使用相同的方法再次制造相同的熱固性塑料，這令人興奮?！?/p>

研究人員認為，這種通用方法也可以應用于其他類(lèi)型的熱固性化學(xué)。在這項研究中，他們表明，使用可降解單體形成聚合物的單鏈比使用可降解鍵將鏈“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。

伊利諾伊大學(xué)化學(xué)教授杰弗里·摩爾（Jeffrey Moore）說(shuō)：“這是熱固性塑料工程領(lǐng)域令人激動(dòng)的進(jìn)步?！?“化學(xué)家們花費了他們的大部分精力來(lái)學(xué)習合成更好的塑料，而對聚合物解構科學(xué)的化學(xué)研究投入卻少得多。約翰遜的工作有助于填補基礎知識的這一重要空白，同時(shí)提供先進(jìn)的技術(shù)意義?！?/p>

約翰遜說(shuō)，如果能夠為其他類(lèi)型的聚合反應找到合適種類(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。

研究人員現在希望組建一家公司來(lái)許可該技術(shù)并將其商業(yè)化。

SP Insight的新產(chǎn)品顧問(wèn)，麻省理工學(xué)院Deshpande技術(shù)創(chuàng )新中心的導師Patrick Casey已經(jīng)與Johnson和Shieh一起評估該技術(shù)，包括進(jìn)行一些初步的經(jīng)濟建模和二級市場(chǎng)研究。

Casey說(shuō)：“我們已經(jīng)與一些領(lǐng)先的行業(yè)參與者討論了這項技術(shù)，他們告訴我們，它有望對整個(gè)價(jià)值鏈的利益相關(guān)者有利?！?“零件制造商可以獲得大量的低成本再生材料；設備制造商，例如汽車(chē)公司，可以實(shí)現其可持續性目標；回收商從熱固性塑料中獲得了新的收入來(lái)源。消費者看到了成本的節省，我們所有人都得到了更清潔的環(huán)境?！?/p>

文章來(lái)源：美國麻省理工學(xué)院