市售过氧化物连接不相容聚合物以实现回收利用

如今，康奈尔大学的研究人员开发出一种经济高效且具潜在可扩展性的方法，利用市售过氧化物将聚合物键合在一起，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。共同第一作者为博士后研究员莫里茨·克兰兹莱恩（Moritz Kränzlein）和博士生崔仕林（Shilin Cui）。该项目由文理学院化学与化学生物学系蒂施大学教授（Tisch University Professor）杰弗里·科茨（Geoffrey Coates）领导，他是该论文的通讯作者。

在某种意义上，该项目本身就是一件回收产品。2017年，科茨实验室与明尼苏达大学的合作者共同开发了一种能够复合聚乙烯和聚丙烯混合物的多嵌段聚合物。科茨认为，这种新材料是一项重要的科学成就，但事实证明难以扩大生产规模，且成本过高而缺乏实用性。

"我们必须重新构思，在可行材料与可负担合成方法的交集区域寻找解决方案，"他表示，"为何2017年没有直接采用这种方法？相信我，如果容易实现，其他人早就完成了。"

开发新型聚烯烃相容剂的关键在于寻找现有聚合物并通过适当加工实现目标，而非从头创造新材料。克兰兹莱恩首先使用实验室现有材料进行实验，全程始终遵循几个核心参数。

"每次会议汇报进展时，杰弗的第一个问题总是'成本是多少？'始终存在一条每磅价格的红线不能逾越，"克兰兹莱恩说，"我们真正将成本控制作为项目焦点，目标不是寻找精致或复杂的解决方案，而是寻求切实可行的工业级方案。"

经过一年半时间——以及逾200次实验——研究人员最终选定一种有机烷基过氧化物。该物质在加热时能高效剥离高密度聚乙烯（HDPE）和等规聚丙烯（iPP）的氢分子，使其接枝共聚形成可添加到机械回收工艺中的共聚物材料，用于处理HDPE与iPP混合物，从而恢复材料性能。

克兰兹莱恩将这种共聚物形象地比作"塑料肥皂"。

"当HDPE和iPP这类通用塑料混合时，其相容性较差，会出现相分离现象，导致混合物材料性能严重劣化，"他解释道，"该工艺引入的第三组分就像两相间的肥皂，促进聚合物间更好的混溶性，本质上是恢复混合物的物理性能。"

"我们耗费了极其漫长的时间调试各种参数，"他补充道，"直至最终获得满意的成果。"

为深入理解相容剂特性及接枝反应机理，研究人员求助了物理化学系弗兰克与罗伯特·劳克林教授（Frank and Robert Laughlin Professor）布雷特·福斯（Brett Fors）及其博士生胡珍妮（Jenny Hu），由其团队负责流变学表征研究。

"现在我们掌握了材料，"科茨表示，"关键在于能否实现量产？目前我们仅达到克级规模，最终目标应是数十公斤级。虽然确信其可扩展性，但实现目标仍需大量工作。"

科茨展望该相容剂有望催生新型聚合物合金，充分融合不同废弃塑料的独特优势。无需建设耗资数百万美元的大型工厂：只需将现有聚合物与相容剂复合即可。

"就像不锈钢那样，你可以创建整套合金体系，其性能可能超越单一纯聚合物，"科茨说。他近期通过康奈尔Praxis风险发展中心创办了一家专注于相容剂技术的初创企业。"我们的愿景是：若能制造出兼具高刚性与高韧性的聚合物，就能用更少材料生产具有同等性能的包装产品——这是该技术的另一重大应用方向。"

合著者包括福斯、胡珍妮以及副研究员安妮·拉普安特（Anne LaPointe）。

本研究由格斯特纳家族基金会（Gerstner Family Foundation）资助，并获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（Institute for Cooperative Upcycling of Plastics）——一个能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）提供的额外资金支持。