近日，大連理工化工學(xué)院精細(xì)化工全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“小分子活化與仿生催化”教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了羰基在聚酮鏈中的宏觀均勻分布，讓材料性能實(shí)現(xiàn)"按需訂制"，成功實(shí)現(xiàn)聚乙烯與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。相關(guān)成果以“按需非交替共聚技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚乙烯與尼龍的升級回收”（On-Demand Nonalternating Copolymerization Enables Upcycling of Mixed Polyethylene and Nylon Plastics）為題發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上，并被選為封面文章（Front Cover）。該論文第一作者為我院博士生張文麗，通訊作者為我院精細(xì)化工全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉野教授。
在塑料家族中，有一類特殊材料叫"聚酮"—由乙烯和一氧化碳（CO）交替排列而成。它強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕，但有個致命缺點(diǎn)：加工溫度高達(dá)252℃，幾乎無法熔融成型，更遺憾的是，傳統(tǒng)合成方法只能得到嚴(yán)格交替的鏈結(jié)構(gòu)（―CH2-CH2-CO―），限制了材料設(shè)計(jì)的靈活性。
每年，全球產(chǎn)生超過3億噸塑料垃圾，其中聚乙烯和尼龍因化學(xué)性質(zhì)差異難以混合回收，最終淪為填埋場或海洋污染物。如何將這兩種“水火不容”的塑料轉(zhuǎn)化為高性能材料？該團(tuán)隊(duì)最新研究實(shí)現(xiàn)了羰基在聚酮鏈中的宏觀均勻分布，讓材料性能實(shí)現(xiàn)"按需訂制"，制備了同時含有極性和非極性結(jié)構(gòu)的高分子拉鏈，成功實(shí)現(xiàn)聚乙烯與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。
串聯(lián)氣體補(bǔ)償策略
按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行聚合，在塑料合成過程中，乙烯和CO這兩種氣體的消耗速度不同，就像兩個人跑步一個快一個慢，導(dǎo)致最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)不均勻，性能不穩(wěn)定。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套“智能調(diào)氣”技術(shù)，像精準(zhǔn)調(diào)節(jié)油門一樣控制氣體比例。在反應(yīng)開始時：乙烯和CO按9:1的比例通入，幫助材料形成特定骨架；而在反應(yīng)過程中，實(shí)時調(diào)整為3:2，讓兩種氣體消耗速度匹配。最終獲得的聚酮材料結(jié)構(gòu)均勻，徹底解決了傳統(tǒng)方法產(chǎn)物“分層”的問題，并且能通過調(diào)整氣體比例，自由控制材料中羰基的含量（0%~50%），實(shí)現(xiàn)材料性能的按需定制。
聚乙烯-交替聚酮雙傾向構(gòu)建準(zhǔn)多嵌段結(jié)構(gòu)
通過全面的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，該新材料具有獨(dú)特的"長短鏈交替"架構(gòu)：短極性段（―(CH?-CH?)?-CO―，n < 4）可以與尼龍形成氫鍵結(jié)合。長非極性段（≥4個乙烯）可以誘導(dǎo)聚酮與聚乙烯的共結(jié)晶。這種結(jié)構(gòu)像"分子拉鏈"，同時完美匹配聚乙烯和尼龍的特性需求，使原本不相容的聚乙烯和尼龍?jiān)谖⒂^層面緊密結(jié)合；就像在原本互不相容的油和水界面，加入表面活性劑，使其完美結(jié)合。因此，復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度提升3倍，斷裂伸長率從42.9%躍升至437%。
這項(xiàng)研究首次揭示了非極性聚乙烯與極性交替聚酮的相演化機(jī)制，通過“長程無序-短程有序”的鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打破了傳統(tǒng)交替共聚的局限，證明非交替結(jié)構(gòu)不是缺陷，而是性能調(diào)控的新維度，就像為聚乙烯和尼龍搭建了分子拉鏈橋梁，讓它們在界面處“握手言和”。此外，該非交替共聚反應(yīng)是均相聚合反應(yīng)，沒有淤漿聚合反應(yīng)釜結(jié)垢的問題，金屬催化劑更容易回收利用，反應(yīng)最高的轉(zhuǎn)化數(shù)可達(dá)~7 kg PK/g Pd，非常容易工業(yè)放大。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金集成項(xiàng)目，大連市科技創(chuàng)新基金應(yīng)用基礎(chǔ)研究和教育部智能材料化工前沿科學(xué)中心的支持。
