《自然》重磅！可降解回收的热固性塑料成为现实 可应用于更广泛的聚合材料中

热固性塑料拥有高强度、耐用等特点，目前广泛应用在汽车车身/轮胎、加热电器等部件制造中，在现代塑料和橡胶工业中起着关键作用。它约占当今生产的聚合材料的20％，全球年产量约为6500万吨。

不过，这种材料有一个明显的一个缺点：它们在冷却、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其他材料（如热塑性塑料）中的化学键更为牢固。

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。

当地时间7月22日最新发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究人员表明，他们可以生产可降解版本的热固性塑料，称为热固性聚双环戊二烯（pDCPD）——将其分解为粉末，然后使用该粉末制造更多的pDCPD。相关研究成果以“Cleavable comonomers enable degradable, recyclable thermoset plastics”为题发表。

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）表示：“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。”

这种方法主要是通过掺入含有甲硅烷基醚基团的结构单元或单体来创建可降解聚合物。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。

图：材料设计原理

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。

他们发现，如果甲硅烷基醚单体占整体材料的7.5％-10％，pDCPD将保持其机械强度，但在暴露于氟离子时会分解成可溶性粉末。

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。结果发现，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。

图：在pDCPD热固性材料链中精确放置少量可降解键可降解为可溶产物

图：掺杂甲硅烷基醚基iPrSi的pDCPD降解产物表征和及其回收再利用

这些发现表明，可裂解键位置的优化可以用作实现受控的热固性降解的设计原理。

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。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。

伊利诺伊大学化学教授杰弗里·摩尔（Jeffrey Moore）说：“这是工程热固性塑料领域令人激动的进步。” “化学家们花费了他们的大部分精力来学习合成更好的塑料，而对聚合物解构科学的化学研究投入却少得多。”

Jeremiah Johnson表示，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，那么这种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。

该研究由美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院资助。

参考来源：http://news.mit.edu/2020/tough-thermoset-plastics-recyclable-0722

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2495-2