Eugene Chen/洪繆:可持續聚合物的未來發展方向

目前,可以說人類生活在一個由合成聚合物制成的材料世界中,合成材料已成為現代生活和全球經濟不可或缺的組成部分。

它們的年產量正在逐年增加,預計到2050年將達到11.2億噸。但是,目前合成聚合物的生產和處置遵循的是一種不可持續的線性經濟模式,包括“化石原料,獲取,制造,使用,處置”,單向線性框架(如圖1)。

這種線性經濟模型無法解決消費後聚合物廢物的報廢問題,不僅迅速耗盡瞭有限的自然資源,而且遭受瞭巨大的經濟損失,並在全球范圍內加劇瞭塑料污染惡化的後果。

出於各種原因,目前回收聚合物特別是塑料(在所有類型的聚合物中產量最高)的回收實踐在很大程度上是無效的,僅有5%的材料被回收和用於後續使用。

可怕的後果帶來的是雙重的打擊:

  1. 一次性使用後,每年約有95%的塑料材料(價值1000億美元)在經濟中損失,
  2. 每年都會有將近5000萬噸的塑料廢棄物被丟棄到垃圾填埋場和海洋中。如果不做任何改變,到2050年,海洋中的塑料重量將超過魚類的重量。這一後果人類可以承受嗎?答案是顯而易見的,人類將無法承受。

如何才能有效解決塑料污染一直以來都是各國,各領域科學傢們的主要研究內容。

中國科學院上海有機化學研究所有機金屬化學國傢重點實驗室的洪繆研究員和科羅拉多州立大學Eugene Chen 教授一直致力於綠色可持續性發展的高分子材料方面的研究,經過多年的研究,發現解決塑料污染最有效的方式就是打破塑料污染不可持續的線性經濟模式,開發具有閉環生命周期的可持續聚合物。

他們將這類型“可持續聚合物”重新定義為“源自可再生原料的材料,其原料不但在生產和使用過程中均是安全無污染的,並且其生產的制品可以以對環境無害的方式進行回收或處理”如圖1所示。在本篇報道中,他們重點介紹瞭可持續聚合物的最新研究進展,強調瞭發展可持續發展聚合物過程中的機遇和挑戰。該篇論文以題為“Future Directions for Sustainable Polymers”發表在《Trends in chemistry》上(見文後原文鏈接)。

Eugene Chen/洪繆:可持續聚合物的未來發展方向
圖1. 線性材料經濟和新的圓形材料經濟框架的圖示。新框架是建立在通過開發具有完全化學可回收性的可持續聚合物。

在傳統的可持續發展聚合物中,以植物生物質和可降解的塑料為主。植物生物質可通過轉化為結構單元單體提供豐富的可再生資源,並且本質上具有負碳足跡的特點。目前主要的以植物生物質為基礎的聚合物有聚乳酸和其他可再生聚酯或聚內酯,生物衍生聚(對苯二甲酸乙酯),糖基聚(呋喃甲酸乙酯),和可再生聚碳酸酯等。由於有大量的合成技術可供化學傢使用,幾乎任何單體都可以從可再生原料中制備出來。但是,在這些轉化過程中也伴隨這樣一個問題:在天然資源經過多少步轉化之後可以用來制造可持續的單體或聚合物?盡管對這類過程進行完整的生命周期評估雖然有用,但往往不切實際。但至少應遵循以下準則:

  • (i)最少的轉換步驟;
  • (ii)使每個步驟的轉化率和原子效率最大化;
  • (iii)盡可能使用催化反應和“綠色”條件。

可降解的聚合物由於其可降解為對環境無害的物種並最終熱力學沉沉降,這使得其具有建立環境友好的封閉環形生態系統的潛力。目前其已經實現瞭應用,尤其是在短期產品中,例如用作生物醫學和包裝材料的聚乙交酯,聚碳酸三亞甲基酯和聚羥基鏈烷酸酯。但是,盡管可降解聚合物在受控的實驗室條件下或微生物環境中可有效降解,但它們通常在大規模或自然環境(如垃圾填埋場或海洋)中的降解卻不很理想,這一類材料也將會造成一些無法預料的環境污染問題。然而,由外部刺激有選擇性地觸發的可降解的聚合物對於廢物管理還是很有價值的,特別是克服瞭上述挑戰之後。

盡管,生物質或者可降解聚合物具有可回收利用和減輕環境污染方面具有一定的優勢,但是為瞭滿足具有閉環生命周期的可持續性發展系統,資源的再生率需要等於或大於資源利用率。在這一方面,新興的可化學循環利用的聚合物由於可以保存有限的自然資源,為聚合物廢棄物的壽命終止問題提供可行的解決方案以及具有建立循環材料經濟的潛力而受到越來越多的關註。可化學回收的聚合物可以通過化學方式高選擇性,高收率和高純度地完全解聚為單體,並且可以將單體直接再聚合為純凈質量的聚合物。從原理上講,該過程可以無限次重復。這種可化學回收聚合物具有顯著的實際應用潛力,可以實現閉環材料經濟並從源頭上防止資源的浪費。但是,為瞭充分發揮這一類可化學回收聚合物的優勢必須解決眼前的三個重要挑戰:1.能源成本;2. 解聚物的選擇性;3. 可降解/性能之間的平衡。理想的可降解聚合物不僅必須具有良好的熱性能和機械穩定性能以使其在實際生活中得以應用,而且還必須在高成本效益的生產和降解條件下,以可控的高化學選擇性高效率的回收純凈的單體。

再生聚合物領域作為另一類創新,經濟的可持續的聚合物制備方法,通過利用大量可用的商品聚合物作為廉價的原料來制造新的或更高價值的材料,賦予消費後聚合物新的生命,從而延長它們的壽命。

在再生聚合物的規劃方案中,通過化學轉化獲得增值聚合物通常很容易。其未來的挑戰主要來自如何使這些過程具有更高的成本效益,以及同時賦予新材料化學可回收性,以使它們在新的材料使用壽命結束後不會成為新的廢物。

在聚合物可回收利用這個領域中,傳統的熱固性樹脂的回收利用是最棘手的問題之一,因為其交聯成型後的聚合物既不能通過機械再加工,也不能通過化學方式再循環利用。

經過多年的研究,目前已經研究開發一類具有動態共價網絡(交聯的)的可再加工的熱固性材料,該共價網絡可以進行締合交換反應,從而使材料在加熱時再流動。

這種“類玻璃高分子”既在一定的轉變溫度以下,可以像熱固性塑料一樣,處於拓撲網絡凝固,但也可以像粘彈性液體一樣進行熱加工(在較高溫度下)而不會失去網絡完整性。

這些具有開拓性和高應用價值的學術成果將會刺激可持續熱固性塑料的進一步發展,並能過應對各種各樣的挑戰,主要包括:

  • (i)聚合物具有增強的蠕變,耐溶劑,耐熱和耐化學性能夠,從而克服惡劣,不受控制的環境;
  • (ii)聚合物具有機械延展性和化學回收性;
  • (iii)具有高成本效益,可將動態交聯安裝到具有寬溫度范圍的熱塑性商品塑料中。

在未來, 開發具有閉環生命周期的可持續發展聚合物具有巨大的實際應用潛能,既可以保護有限的自然資源,並提供可行的解決方案解決當前合成聚合物不可持續的本質問題。但是,在實現這一過程中仍然存在諸多的挑戰,尤其是能源成本,回收/分解的選擇性以及回收能力與性能之間的平衡。因此,在未來的大量研究中應該集中精力在設計創新的單體和聚合物結構以及開發環境友好的工藝(例如催化,無溶劑)以合成和回收包括混合的聚合物廢料和復合材料在內的聚合物。

原文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589597419300486#!

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