麻省理工学院化学家制作坚韧的热固性塑料可回收

在汽车部件和电器中发现的热固性聚合物必须是耐用和耐热的，但通常不能在使用后容易地再循环或分解。麻省理工学院的化学家现在已经开发了一种改进热固性塑料的方法，使它们更容易破碎而不会影响其机械强度。

生产热固性塑料的新方法允许它们在使用后更容易地分解。

包括用于轮胎的环氧树脂，聚氨酯和橡胶的热固性能在许多产品中发现，许多产品必须具有耐用和耐热，例如汽车或电器。这些材料的一个缺点是它们通常不能在使用后容易地再循环或分解，因为将它们的化学键保持在一起比在其他材料如热塑性塑料如热塑性塑料中的那些更强。

麻省理工学院的化学家现在已经开发了一种用化学接头修饰热固性塑料的方法，使材料更容易分解，但仍然可以保留使它们如此有用的机械强度。

在本研究中发表的研究中，研究人员表明，它们可以产生一种称为PDCPD的热固性塑料的可降解版本，将其分解成粉末，并使用粉末产生更多PDCPD。他们还提出了一个理论模型，表明他们的方法可以适用于各种塑料和其他聚合物，例如橡胶。

“这项工作推出了一项基本的设计原则，我们认为这是一个具有这种基本建筑的任何种类的热固性普遍的设计原则，”麻省理工学院的化学教授和研究高级作者耶利米约翰逊说。

Peyton Shieh是美国癌症协会的美国癌症协会，是麻省理工学院的第一个作者。

难以回收

热固性剂是两种主要塑料类别之一，以及热塑性塑料。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯，用于塑料袋和其他单用品塑料，如食品包装。这些材料通过加热塑料小粒料，直到它们熔化，然后将它们模塑成所需的形状并使其冷却回到固体中。

占全球塑料生产约75％的热塑性塑料可以通过再次加热，直到它们变成液体，因此它们可以重新折叠成新形状。

热固性塑料由类似的方法制成，但是一旦将它们从液体冷却到固体中，就很难将它们返回到液态。这是因为聚合物分子之间形成的粘合是一种称为共价键的强化学附着物，这非常难以破裂。约翰逊说，当加热时，热固性塑料通常会燃烧，然后才能在恢复之前燃烧。

“一旦它们被设置在给定的形状中，他们就在那种形状中为他们的一生，”他说。“通常没有简单的方法来回收它们。”

麻省理工学院团队希望开发一种方法来保留热固性塑料的积极属性 - 它们的强度和耐用性 - 在使用后更容易分解。

在去年发布的一篇论文中，通过谢富作为领先作者，Johnson的小组通过掺入含有甲硅烷基醚基团的构建块或单体来制造用于药物递送的可降解聚合物的方法。该单体随机分布在整个材料中，当材料暴露于酸，碱或离子如氟化物中时，甲硅烷基醚键断裂。

用于合成这些聚合物的相同类型的化学反应也用于制备一些热固性塑料，包括聚二氯化二烯（PDCPD），其用于卡车和公共汽车的身体面板。

使用与2019纸的相同策略，研究人员将甲硅烷基醚单体添加到形成PDCPD的液体前体。他们发现，如果甲硅烷基醚单体在7.5-10％的整个材料之间，PDCPD将保持其机械强度，但在暴露于氟离子时可以分解成可溶性粉末。

“这是我们发现的第一个令人兴奋的事情，”约翰逊说。“我们可以使PDCPD可降低，同时不会损害其有用的机械性质。”

新材料

在研究的第二阶段，研究人员试图重用所得粉末形成新的PDCPD材料。将粉末溶解在用于制备PDCPD的前体溶液中，它们能够从再循环粉末中制备新的PDCPD热固性。

“新材料几乎无法区分，并且在某些方面，与原材料相比，机械性能有所改善，”约翰逊说。“表明您可以使用相同的过程再次删除劣化产品并再次再次翻新相同的热固性，这是令人兴奋的。”

研究人员认为，这种一般方法也可以应用于其他类型的热固性化学。在该研究中，他们表明，使用可降解的单体形成聚合物的辛股线，而不是使用可降解键将股线的可降解键合在一起，这已经尝试过。他们认为，这种可切割的股线方法可用于产生许多其他可降解的材料。

“这是工程热固性塑料的令人兴奋的进步，”伊利诺伊大学化学教授Jeffrey Moore说，他没有参与这项研究。“化学家在大部分努力中学习综合更好的塑料，而且已经投入了聚合物解构的科学的化学研究.Johnson的作品有助于填补基础知识的重要差距，同时提供技术意义的进步。”

约翰逊表示，如果可以找到其他类型的聚合反应的正确种类的可降解单体，可用于制造其他热固性材料的可降解版本，例如丙烯酸类，环氧树脂，硅氧烷或硫化橡胶。

研究人员现在希望形成公司牌照和商业化该技术。

Patrick Casty是SP Insight的新产品顾问和带有麻省理工学院的德尔科特技术创新中心的导师，一直与Johnson和Shieh合作，评估该技术，包括进行一些初步的经济建模和二级市场研究。

“我们已经讨论了一些领先的行业参与者，他告诉我们，它有望对整个价值链的利益相关者有利，”凯西说。“零件制造商获得低成本再循环材料流;设备制造商，如汽车公司，可以满足其可持续发展目标;再循环者从热固性塑料获得新的收入流。消费者看到节食成本，我们所有人都获得了更清洁的环境。“

参考：“可切割的共聚单体使可降解，可回收的热固性塑料”，由Peyton Shieh，Wenxu Zhang，Keith El Shusted，Samantha L. Kristufek，Boya Xiong，David J. Lundberg，Jet Lem，David Veysset，Yuchen Sun，Keith A. Nelson，Desiree L 。Plata和Jeremiah A. Johnson，2020年7月22日，Nature.Doi：
10.1038 / S41586-020-2495-2

该研究由国家科学基金会和国家卫生研究院资助。