升級再造重大突破：將塑膠廢棄物轉化為高效能材料

研究人員研發出了一種開創性的方法，能將被棄置的塑膠升級再造為效能更優的新材料。此項創新不僅為全球塑膠廢棄物危機提供了潛在解決方案——全球超過90%的廢棄塑膠最終要麼被填埋，要麼汙染自然環境——更將廢棄物轉變成了有價值的多功能塑膠。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的化學家們研發出了一種方法，能對廢棄塑膠中的聚合物進行改性，製造出比原始塑膠效能更優的新材料。這個被稱為「升級再造」的過程，有望幫助解決全球塑膠廢棄物危機。目前，每年大約有4.5億噸塑膠被棄置，但只有9%被回收利用。大多數最終被填埋、流入海洋或被焚燒。

ORNL的這項發明，有望重塑塑膠廢棄物的未來。它透過重新排列塑膠的分子結構單元，增強其效能。塑膠由聚合物鏈組成——即相互連線的分子亞基——可以對其進行重組，以創造出更強韌、更耐用且耐高溫的材料。透過改變這些聚合物鏈的連線方式，科學家們可以研發出具有廣泛用途的多功能塑膠。

分子編輯技術前景十分光明，它已經成為兩項諾貝爾化學獎的基礎。2005年，諾貝爾獎授予了複分解反應的研發者，該反應能斷裂和形成環狀及鏈狀碳原子間的雙鍵，使亞基可以交換，從而創造出只有想不到、沒有做不出的新分子。同樣，在2020年，諾貝爾獎授予了CRISPR技術的研發者，CRISPR就像是用於編輯DNA鏈的基因剪刀。DNA，即脫氧核糖核酸，是由兩條長鏈核苷酸相互纏繞形成雙螺旋的分子。它是人類及幾乎所有其他生物的遺傳物質，攜帶著發育、功能、生長和繁殖的遺傳指令。人體內幾乎每個細胞都含有相同的DNA。大多數DNA位於細胞核（稱為核DNA）中，但少量DNA也可以線上粒體中找到（稱為線粒體DNA或mtDNA）。

「這就像是用於編輯聚合物的CRISPR，」ORNL的傑弗裡·福斯特說。他領導的一項研究發表在《美國化學會志》上。「然而，我們編輯的不是基因鏈，而是聚合物鏈。這可不是典型的塑膠回收那種「熔化後就期待有好結果」的情形。」

在這個動畫中，廢棄塑膠的聚合物被編輯，生成可在其他產品中再利用的大分子。聚合物鏈的組成決定了最終塑膠的效能。圖片來源：傑奎琳·德明克/ORNL，美國能源部

ORNL的研究人員精準地編輯了對塑膠廢棄物有重大貢獻的通用聚合物。在一些實驗中，研究人員使用了軟質聚丁二烯，它在橡膠輪胎中很常見。在其他實驗中，他們使用了堅韌的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物，塑膠玩具、電腦鍵盤、通風管道、防護頭盔、車輛飾件和模具以及廚房電器都是用這種材料製成的。

「這是一種幾乎完全沒有被回收的廢物流，」福斯特說。「我們用這項技術解決了廢物流中的一個重要部分。僅從目前被填埋材料的質量和能量節約角度來看，就能產生相當大的影響。」

溶解廢棄聚合物是為聚合物合成製造即用型新增劑的第一步。研究人員將合成或商用的聚丁二烯和丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物切碎，並將材料浸入二氯甲烷溶劑中，在低溫（40攝氏度）下進行不到兩小時的化學反應。

一種釕催化劑促進了聚合反應，也就是聚合物加成反應。工業公司已經使用這種催化劑來製造堅固的塑膠，並且輕鬆地將植物油等生物質轉化為燃料和其他高價值有機化合物，這凸顯了其在化學升級再造中的應用潛力。

聚合物主鏈的分子結構單元包含官能團，即作為改性反應位點的原子簇。值得注意的是，碳之間的雙鍵增加了能引發聚合反應的化學反應機會。碳環在雙鍵處開啟，形成聚合物鏈，每個功能性聚合物單元直接嵌入時，鏈就會增長，從而節省材料。這種塑膠新增劑還有助於控制合成材料的分子量，進而控制其效能和表現。

如果這種材料合成策略能擴充套件到更廣泛的工業重要聚合物，那麼它可能會成為再利用目前只能用於單一產品的製造材料的經濟可行途徑。例如，升級再造的材料可能比原始聚合物更柔軟、更有彈性，或者可能更容易成型並硬化成耐用的熱固性產品。

科學家們透過聯合使用兩種方法對塑膠廢棄物進行升級再造。這兩種方法都是複分解反應的型別，意思是「位置互換」。碳原子間的雙鍵斷裂和形成，使聚合物亞基可以交換。

其中一種方法稱為開環複分解聚合，它開啟碳環並將其伸長成鏈。另一種方法稱為交叉複分解，它將一個聚合物鏈中的聚合物亞基鏈插入到另一個聚合物鏈中。

傳統的回收方法未能捕捉到廢棄塑膠中的價值，因為每次熔化和再利用時，聚合物都會降解，從而變得價值降低。相比之下，ORNL的創新升級再造方法利用現有的結構單元，融入廢棄材料的質量和特性，並賦予額外的功能和價值。

「新方法的原子利用率很高，」福斯特說。「這意味著我們基本上可以回收投入的所有材料。」

ORNL的科學家們證明，與傳統回收方法相比，這個過程使用的能源更少，產生的排放也更少，能在不影響聚合物質量的前提下，高效整合廢棄材料。福斯特、伊爾亞·波波夫斯和齋藤智則構思了論文的想法。尼古拉斯·加蘭、以賽亞·迪什納和福斯特合成了單體亞基並最佳化了聚合反應。約書亞·達姆龍進行了核磁共振光譜實驗，以分析反應動力學。鄭傑姬、關超和阿尼斯爾·拉赫曼對最終材料的力學和熱效能進行了表徵。

「我們的願景是，這個概念可以擴充套件到任何具有某種能參與反應的主鏈官能團的聚合物，」福斯特說。「如果規模擴大並使用其他新增劑，就可以從更廣泛的廢棄物中挖掘分子結構單元，大幅降低其他難以處理的塑膠對環境的影響。這樣一來，迴圈經濟——即廢棄材料被重新利用而非被棄置——就會成為更現實的目標。」

研究人員的下一步計劃是探索聚合物鏈中不同型別的亞基，並對其進行重新排列，以研發高效能的熱固性材料。這些材料包括環氧樹脂、硫化橡膠、聚氨酯和矽樹脂。與其他塑膠不同，一旦熱固性材料固化，其緊密交聯的分子結構使其無法再熔化或重塑，這使得回收尤其困難。

研究人員還對在工業加工過程中為了環境可持續性而最佳化溶劑感興趣。

「對於這些我們仍需弄清楚的廢棄塑膠，一些預處理是必要的，」福斯特說。

參考文獻：傑弗裡·C·福斯特、約書亞·T·達姆龍、鄭傑姬、關超、伊爾亞·波波夫斯、Md·阿尼斯爾·拉赫曼、尼古拉斯·J·加蘭、以賽亞·T·迪什納和齋藤智則所著的《聚烯烴作為開環複分解聚合的即用型新增劑：一種有前景的升級再造正規化》，2024年10月29日，發表於《美國化學會志》。DOI：10.1021/jacs.4c10588