據(jù)外媒報道，通過編輯廢棄塑料的聚合物，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的化學(xué)家們找到了一種方法，可以生成比原材料更有價值的新大分子。升級再造可能有助于解決全球每年約4.5億噸塑料廢棄問題，而這些廢棄塑料中只有9%得到回收利用，其余的則被焚燒或最終進(jìn)入垃圾填埋場、海洋或其他地方。

圖片來源：ORNL

ORNL的發(fā)明可能會通過重新排列聚合物結(jié)構(gòu)單元來定制塑料的性質(zhì)，從而改變塑料的環(huán)境命運(yùn)。分子亞基連接起來產(chǎn)生聚合物鏈，這些聚合物鏈可以通過其主鏈和交聯(lián)分子連接起來，形成多用途塑料。聚合物鏈的組成決定了這些塑料的強(qiáng)度、剛性或耐熱性。

“這是用于編輯聚合物的CRISPR，”ORNL的Jeffrey Foster說道。“然而，我們不是編輯基因鏈，而是編輯聚合物鏈。這不是典型的塑料回收‘融化并希望得到最好結(jié)果’的情況。”

ORNL的研究人員精確地編輯了對塑料廢物有重大貢獻(xiàn)的商品聚合物。在一些實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了軟聚丁二烯，這種材料在橡膠輪胎中很常見。在其他實(shí)驗(yàn)中，他們使用了堅韌的丙烯腈丁二烯苯乙烯，塑料玩具、電腦鍵盤、通風(fēng)管、防護(hù)頭飾、車輛裝飾和模具以及廚房用具的材料。

“這是一種根本無法回收的廢物流，”Foster表示。“我們利用這項技術(shù)解決了廢物流中的一個重要組成部分。從節(jié)省目前進(jìn)入垃圾填埋場的材料的質(zhì)量和能量來看，這將產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。”

溶解廢棄聚合物是制造聚合物合成用直接添加劑的第一步。研究人員將合成或商用聚丁二烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯切碎，然后將材料浸入溶劑二氯甲烷中，在低溫（40℃）下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，時間不到兩小時。

釕催化劑促進(jìn)了聚合或聚合物添加。工業(yè)公司已經(jīng)使用這種催化劑制造堅固的塑料，并毫不費(fèi)力地將植物油等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料和其他高價值有機(jī)化合物，凸顯了其在化學(xué)升級再造中的應(yīng)用潛力。

聚合物主鏈的分子構(gòu)件包含功能團(tuán)或原子簇，可作為改性的反應(yīng)位點(diǎn)。值得注意的是，碳之間的雙鍵增加了發(fā)生聚合反應(yīng)的機(jī)會。碳環(huán)在雙鍵處打開，形成聚合物鏈，隨著每個功能聚合物單元直接滑入，聚合物鏈不斷增長，從而保護(hù)了材料。塑料添加劑還有助于控制合成材料的分子量，進(jìn)而控制其性質(zhì)和性能。

如果這種材料合成策略可以擴(kuò)展到更廣泛的工業(yè)重要聚合物，那么它將被證明是一種經(jīng)濟(jì)可行的途徑，可以重復(fù)使用目前只能用于單一產(chǎn)品的制造材料。例如，升級后的材料可能比原來的聚合物更軟、更有彈性，或者更容易成型和硬化成耐用的熱固性產(chǎn)品。

科學(xué)家們通過同時采用兩種工藝對塑料廢物進(jìn)行了升級。兩者都是復(fù)分解的類型，這意味著位置的改變。碳原子之間的雙鍵斷裂并形成，使聚合物亞基可以交換。

一種稱為開環(huán)復(fù)分解聚合的工藝，打開碳環(huán)并將其拉長成鏈。另一種稱為交叉復(fù)分解的工藝，將聚合物亞基鏈從一個聚合物鏈插入另一個聚合物鏈。

傳統(tǒng)回收無法捕捉廢棄塑料的價值，因?yàn)樗匦率褂秒S著每次熔化和再利用而降解而價值降低的聚合物。相比之下，ORNL的創(chuàng)新升級再造利用現(xiàn)有的構(gòu)建塊來整合廢料的質(zhì)量和特性，并提供額外的功能和價值。

“新工藝具有很高的原子經(jīng)濟(jì)性，”Foster表示。“這意味著我們幾乎可以回收所有投入的材料。”

ORNL的科學(xué)家證明，該工藝比傳統(tǒng)回收工藝消耗更少的能源，產(chǎn)生的排放更少，可以有效地整合廢料，而不會損害聚合物的質(zhì)量。、

“我們的愿景是，這一概念可以擴(kuò)展到任何具有某種主鏈官能團(tuán)可與之反應(yīng)的聚合物，”Foster表示。如果擴(kuò)大規(guī)模并擴(kuò)展到使用其他添加劑，則可以從更廣泛的廢物類別中開采分子構(gòu)件，從而大大減少其他難以加工的塑料對環(huán)境的影響。循環(huán)經(jīng)濟(jì)——廢料被重新利用而不是丟棄——將成為一個更現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。

接下來，研究人員有興趣改變聚合物鏈中亞基的類型并重新排列它們，看看它們是否可以制造出高性能熱固性材料。例如環(huán)氧樹脂、硫化橡膠、聚氨酯和硅樹脂。一旦固化，熱固性材料就無法重新熔化或重塑，因?yàn)樗鼈兊姆肿咏Y(jié)構(gòu)是交聯(lián)的。這使得它們的回收成為一個挑戰(zhàn)。

研究人員還對優(yōu)化溶劑以實(shí)現(xiàn)工業(yè)加工過程中的環(huán)境可持續(xù)性感興趣。“這些廢塑料需要進(jìn)行一些預(yù)處理，我們?nèi)孕枧宄?rdquo;Foster表示。