美國能源部(DOE)的一項新研究設計了一種塑料，這種塑料可以回收很多次，而且不會有任何性能損失。

美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)已經(jīng)生產(chǎn)出一種新型聚合物，類似于樂高玩具，可以分解并重新組裝成不同的形狀、質地和顏色，而不會影響其質量。這種新材料被稱為“聚酮烯胺”，或PDK。

“大多數(shù)塑料都不是用來回收的，”伯克利實驗室的分子鑄造博士后彼得·克里斯坦森說。“但我們發(fā)現(xiàn)了一種組裝塑料的新方法，從分子角度考慮了回收問題。”

目前最可回收的塑料，PET -聚對苯二甲酸乙酯(乙烯對苯二甲酸酯)，回收率只有20-30%左右。剩下的則被送入焚燒爐、垃圾填埋場或海洋中焚燒，釋放出二氧化碳，或者被留在地球上堵塞幾個世紀，直到地球分解。

塑料基本上是長鏈的碳基分子(“分子鏈”)連接在一起形成聚合物(“許多分子鏈”)。它們的結構使它們在化學上非常穩(wěn)定，這意味著它們不會像其他材料那樣生銹、腐爛或溶解。為了使它們適應特定的用途，制造商還加入化學添加劑來改善某些性能。例如，填充物使塑料變得堅韌，而增塑劑則使塑料變得柔韌。這些添加劑在化學上與個別的中東呼吸綜合征緊密結合。所以即使塑料在回收工廠加工，它們也幾乎不可能被清除。不同化學成分的塑料混合在一起，磨成碎片，在回收過程中熔化。在實際生產(chǎn)之前是不可能預測得到的材料的性質的。

回收塑料繼承未知添加劑的趨勢阻止了塑料成為一種“循環(huán)”材料，這種材料的原始構件(mers)可以盡可能長時間地回收再利用，或者“升級”以生產(chǎn)一種新的、更高質量的產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)塑料不同的是，PDK塑料的單體可以通過將材料浸泡在高酸性溶液中而被回收并從任何復合添加劑中釋放出來。

克里斯坦森是由布雷特·赫爾姆斯(Brett Helms)領導的多學科團隊的一員。布萊特·赫爾姆斯是伯克利實驗室分子鑄造廠的一名專職科學家。

克里斯坦森補充說:“循環(huán)塑料和塑料升級換代是巨大的挑戰(zhàn)。“我們已經(jīng)看到了塑料垃圾泄漏到我們的水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，而這一趨勢很可能會因為塑料制造數(shù)量的增加和下游對我們的市政回收基礎設施造成的壓力而加劇。”

赫爾姆斯解釋說:“使用PDKs，傳統(tǒng)塑料的不可變鍵被可逆鍵取代，從而使塑料更有效地回收利用。”

制造PDK的單體可以從任何添加劑中分離出來，只需將塑料浸泡在高酸性溶液中即可。酸破壞了單體和添加劑之間的鍵。這一特性最初是在克里斯滕森將各種酸應用于制造PDK粘合劑的玻璃器皿時發(fā)現(xiàn)的，他注意到粘合劑發(fā)生了變化。克里斯坦森用核磁共振波譜儀進一步分析了塑料，發(fā)現(xiàn)了原來的單體。

隨后在分子鑄造廠的研究表明，這種酸能將PDK聚合物分解成單體，同時也能將它們從添加分子中分離出來。研究小組還發(fā)現(xiàn)，回收的PDK單體可以重新鑄造成聚合物，而回收的聚合物不會繼承原材料的任何特征。塑料也可以通過使用添加劑(如增塑劑)進行升級循環(huán)。研究人員認為，他們的新塑料可以很好地替代目前使用的許多不可回收塑料。

赫爾姆斯說:“我們正處于一個關鍵時刻，我們需要考慮為未來的垃圾分類和處理使回收設施現(xiàn)代化所需的基礎設施。”“如果這些設施的目的是回收或升級PDK和相關塑料，那么我們就能更有效地將塑料從垃圾填埋場和海洋中轉移出去。”

赫爾姆斯說:“這是一個令人興奮的時刻，我們應該開始思考如何設計材料和回收設施，使循環(huán)塑料成為可能。”

研究人員下一步計劃開發(fā)PDK塑料，該塑料具有廣泛的熱和機械性能，可用于紡織品、3D打印和泡沫塑料。他們還希望在PDK塑料中加入更多的植物化合物和其他可持續(xù)材料

“通過動態(tài)共價二酮烯胺鍵實現(xiàn)塑料閉環(huán)回收”的論文發(fā)表在《自然化學》雜志上。

資料來源：科技深度君

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