市售过氧化物交联不相容聚合物实现回收

如今，康奈尔大学的研究人员开发出一种经济高效且具备潜在可扩展性的方法，该方法利用市售的过氧化物将聚合物结合在一起，从而创造出一种更有用、高质量的塑料回收添加剂。

该研究成果于5月19日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。论文的共同第一作者是博士后研究员莫里茨·克伦茨莱因（Moritz Kränzlein）和博士生崔士林（Shilin Cui）。项目由文理学院化学与化学生物学系蒂施大学教授杰弗里·科茨（Geoffrey Coates）领导，他是该论文的通讯作者。

在某种程度上，该项目本身就是一个回收产物。2017年，科茨的实验室与明尼苏达大学的合作者共同创造了一种多嵌段聚合物，该聚合物可以结合聚乙烯和聚丙烯混合物。据科茨称，这种新材料是一项重要的科学成就，但事实证明其难以扩大生产规模，且成本过高而不够实用。

“我们必须重新开始，思考什么样的材料可行、什么样的合成方法能负担得起的维恩图，”他说。“为什么我们在2017年不直接这样做？相信我，如果它很容易，别人早就做到了。”

开发他们新型聚烯烃相容剂的关键在于寻找现有的聚合物，通过适当的加工处理使其发挥作用，而不是从头开始创造一种新的聚合物。克伦茨莱因从实验室已有的材料开始实验，始终牢记几个参数。

“每隔一次会议，当我向杰夫汇报进展时，他的第一个问题总是‘成本是多少？’总有一条我不可逾越的每磅价格线，”克伦茨莱因说。“我们努力将这一点作为项目的核心焦点。与其寻找非常优雅或复杂的解决方案，我们试图找到一个可行的现实世界解决方案。”

历经一年半——以及超过200次实验——之后，研究人员选定了一种有机烷基过氧化物。当加热时，该过氧化物会从高密度聚乙烯（HDPE）和等规聚丙烯（iPP）上夺取氢分子，使它们能够接枝在一起，形成一种共聚物材料。这种材料可添加到HDPE和iPP混合物的机械回收工艺中，以恢复其性能。

克伦茨莱因表示，这种共聚物基本上可以被视为“塑料肥皂”。

“当我们有像HDPE和iPP这样的商品塑料混合物时，它们不能很好地混合，这些相会相互分离，这使得这些混合物的材料性能相当差，”克伦茨莱因说。“这个过程添加了第三种组分，其作用类似于这两相之间的肥皂，这种肥皂促进了聚合物之间更好的混溶性，从而实质上恢复了这些混合物的物理性能。”

“我们花了非常、非常长的时间来摆弄所有不同的调节点，”他说，“直到最终获得了令我们满意的结果。”

为了更好地理解他们相容剂的特性及接枝反应，研究人员求助于物理化学弗兰克与罗伯特·劳克林教授布雷特·福斯（Brett Fors）和博士生胡珍妮（Jenny Hu），他们对该材料进行了流变学表征研究。

“所以我们现在有了这种材料，”科茨说。“问题是，现在能否扩大生产规模？我们目前每次只做几克。最终，我们希望做到几十公斤。我们相信它可以放大，但要达到这个目标还有很多工作要做。”

科茨希望这种相容剂也能促成新型聚合物合金的诞生，这些合金可以发挥不同废塑料各自的优势。无需建造耗资数百万美元的巨型工厂：只需取一些现有的聚合物并添加相容剂即可。

“你可以制造一系列合金，其性能可能比单独任何一种纯聚合物都要好，就像不锈钢一样，”科茨说（他最近通过康奈尔大学的Praxis风险投资发展中心创办了一家专注于相容剂技术的初创公司）。“梦想是，如果你能制造出一种既非常坚硬又非常坚韧的聚合物，那么你就可以用更少的材料制造包装，同时具有相同的性能。这是该技术的另一个重要应用方向。”

共同作者包括福斯、胡珍妮和研究助理安妮·拉普安特（Anne LaPointe）。

该研究得到了格斯特纳家族基金会（Gerstner Family Foundation）的支持，并获得了美国能源部通过艾姆斯国家实验室塑料协同升级循环研究所（能源前沿研究中心）的额外资助。