这种塑料源自可再生油,性能高,还可完全闭环回收!

塑料是宝贵的材料,但它们会消耗石油资源并且在环境中持久存在。一种源自可再生油的高性能塑料已被设计出来,可在分子层面上达到真正的可回收利用。

触目惊心的照片揭露了填埋场和海洋中塑料堆积的窘境,这促使人们不得不重新考虑塑料的使用。塑料生产不仅消耗日益减少的原油资源,而且大部分没有得到有效的回收再利用、变成了环境污染物。塑料有许多种类,但都含有聚合物。要解决塑料问题,需要从许多不同的途径着手,但是,根本上来说,必须对塑料聚合物的化学结构进行重新设计从而提高其可持续性。主要的目标是使制造塑料的原材料多样化,不能局限于化石燃料;保存其结构中的内在能源和宝贵资源;充分维持其可使用性,不因多次循环回收而损耗;设计出当需要时分子结构可完全分解的塑料。近日,Häußler 等人在《自然》杂志上撰文报道了一种有可能满足以上所有标准的塑料。

这种塑料源自可再生油,性能高,还可完全闭环回收!

高密度聚乙烯是一种受到广泛应用的塑料,具有长而直的聚乙烯链——一种由重复的CH2CH2单元组成的聚合物。当结晶时,HDPE具有优异的性能可应用于多种用途,包括用于制造电绝缘体,管道和洗涤剂瓶。HDPE通常通过熔融和再加工进行机械式回收。尽管如此,目前的塑料垃圾管理极其无效。美国环境保护署发现2018年,从混合塑料废料流中回收再利用的塑料总量不到10%,HDPE瓶子仅约30%。机械式回收利用也会在每一轮回收后产生劣质的材料,而就HDPE来说,控制回收产品的结晶度挺难的。

这种塑料源自可再生油,性能高,还可完全闭环回收!

除了机械回收,另一种方法是化学回收,长链的聚合物在使用后被分解,以此产生和原来一样的那些最初被用于制造它们的分子结构块。该方法的优点在于这些单体可以被反复地重新聚合,从而产生与原来性质一样的高性能材料。不幸的是,这种方法对于HDPE是无效的,因为需要大量的能量去打破它的碳-碳键。这些化学键的强度也解释了聚乙烯在环境中的持久性以及它为什么难以被酶降解。

现在,Häußler等人报道了具有HDPE许多关键特性的塑料,同时其也可被完全闭环回收。作者们开发了一种高产出率的化学方法,将从植物或微藻类中提炼出来的油转化为具有高分子量的聚合物。这种聚合物的长链中包含一小部分规律分布的碳酸根或者酯键。其在水或者普通乙醇中会发生我们熟知的“溶剂分解”反应,所有的聚合链会被完全打开,使回收几乎所有单体成为可能,并实现闭环回收。作者们报告道,从溶剂解反应中分离出聚合物单体是简单直接的,而且这些单体被成功地重新聚合,生产出保留了原始塑料性质的材料。

这项工作的关键进展在于,它同时解决了许多长期困扰可持续聚合物领域的艰巨挑战。来自Häußler课题组的研究人员在过去的几十年间开创了这种能将天然油转化为有用的单体的化学方法。这些作者们利用高效催化反应在单体两端有选择性地安装官能团;这些基团构成了聚合物中所需“断点”的基础。然后就能用成熟的方法对单体进行聚合。作者们发现,在聚合反应中使用特定的共聚体可以形成高分子量的聚合物。这对于制造一种与HDPE的热工、机械和加工性能相匹配的塑料是至关重要的。

Häußler及其同事展示了这种新型塑料可以通过注塑和3D打印等常见的工业技术进行加工,还可以向其添加染色剂或碳纤维。他们还演示了,当新塑料与传统塑料混合后,新塑料的溶剂解反应会有选择性地发生。这一概念验证的结果暗示,选择性回收新型塑料在未来可能成真。

尽管这些发现拥有巨大的希望,但重要的是要认识到这仍然是早期的基础研究。聚合物到聚合物的回收再利用的实验仅仅使用了20克的新材料,要将其转化为工业规模的工艺和产品尚需大量的工作。这种聚合物生命周期的其它部分仍然有重要的工程挑战亟待解决,包括找到大规模生产这种生物质衍生单体的方法以及开发制造、成型和回收塑料的工业流程。

此外,经济方面的考量給这些努力蒙上了一层阴影。工业上使用的塑料,比如HDPE,以数百万吨的规模生产,并且通常以每公斤1-3美元的价格出售。期望一种新塑料立即具有成本竞争力是不合理的,但是这类价格问题会使新塑料的推行变得极具挑战。

新塑料与现有固体废弃物管理系统的整合程度也是需要回答的问题——如果它要取代HDPE,必须证明它能兼容于不同地区以及不同设施的塑料垃圾分离方法。与目前大多数的回收策略不同,Häußler等人报道的化学回收方法需要一座化工厂。不过,鼓舞人心的是,报道中的化学反应似乎非常适用于工业方法。而且,报道中的系统似乎契合欧洲的立法,后者需要制造商对他们的消费者使用后的塑料产品负责。

Häußler及其同事的工作是令人兴奋且振奋人心的,因为想从再生资源中提取塑料、同时该产品需要具有卓越性能、能与大规模制造加工技术兼容、且完全可回收利用,是极具挑战性的——几乎没有什么材料能满足所有这些标准。作者们的工作是一个极好的例子,彰显了科学创新并非仅仅去解决单个组成部分,而是去解决一个问题的方方面面。下一步必须去建立在目前工作下提出的全生命周期评估,以便在可持续性方面提供更大的改进。更广泛地看,社会也必须要求制造商对目前使用的塑料的所有环境影响提供同等的全生命周期评估和估价,以便明确替换的优先次序。

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