美國(guó)能源部(DOE)的一項(xiàng)新研究設(shè)計(jì)了一種塑料，這種塑料可以回收很多次，而且不會(huì)有任何性能損失。

美國(guó)能源部的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)已經(jīng)生產(chǎn)出一種新型聚合物，類似于樂(lè)高玩具，可以分解并重新組裝成不同的形狀、質(zhì)地和顏色，而不會(huì)影響其質(zhì)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(lái)回收的，”伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造博士后彼得·克里斯坦森說(shuō)。“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(wèn)題。”

目前最可回收的塑料，PET -聚對(duì)苯二甲酸乙酯(乙烯對(duì)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(chǎng)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(gè)世紀(jì)，直到地球分解。

塑料基本上是長(zhǎng)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(jié)構(gòu)使它們?cè)诨瘜W(xué)上非常穩(wěn)定，這意味著它們不會(huì)像其他材料那樣生銹、腐爛或溶解。為了使它們適應(yīng)特定的用途，制造商還加入化學(xué)添加劑來(lái)改善某些性能。例如，填充物使塑料變得堅(jiān)韌，而增塑劑則使塑料變得柔韌。這些添加劑在化學(xué)上與個(gè)別的中東呼吸綜合征緊密結(jié)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(xué)成分的塑料混合在一起，磨成碎片，在回收過(guò)程中熔化。在實(shí)際生產(chǎn)之前是不可能預(yù)測(cè)得到的材料的性質(zhì)的。

回收塑料繼承未知添加劑的趨勢(shì)阻止了塑料成為一種“循環(huán)”材料，這種材料的原始構(gòu)件(mers)可以盡可能長(zhǎng)時(shí)間地回收再利用，或者“升級(jí)”以生產(chǎn)一種新的、更高質(zhì)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(guò)將材料浸泡在高酸性溶液中而被回收并從任何復(fù)合添加劑中釋放出來(lái)。

克里斯坦森是由布雷特·赫爾姆斯(Brett Helms)領(lǐng)導(dǎo)的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的一員。布萊特·赫爾姆斯是伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的一名專職科學(xué)家。

克里斯坦森補(bǔ)充說(shuō):“循環(huán)塑料和塑料升級(jí)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(shì)很可能會(huì)因?yàn)樗芰现圃鞌?shù)量的增加和下游對(duì)我們的市政回收基礎(chǔ)設(shè)施造成的壓力而加劇。”

赫爾姆斯解釋說(shuō):“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(lái)，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(yīng)用于制造PDK粘合劑的玻璃器皿時(shí)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(jìn)一步分析了塑料，發(fā)現(xiàn)了原來(lái)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(shí)也能將它們從添加分子中分離出來(lái)。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(huì)繼承原材料的任何特征。塑料也可以通過(guò)使用添加劑(如增塑劑)進(jìn)行升級(jí)循環(huán)。研究人員認(rèn)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(shuō):“我們正處于一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，我們需要考慮為未來(lái)的垃圾分類和處理使回收設(shè)施現(xiàn)代化所需的基礎(chǔ)設(shè)施。”“如果這些設(shè)施的目的是回收或升級(jí)PDK和相關(guān)塑料，那么我們就能更有效地將塑料從垃圾填埋場(chǎng)和海洋中轉(zhuǎn)移出去。”

赫爾姆斯說(shuō):“這是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻，我們應(yīng)該開(kāi)始思考如何設(shè)計(jì)材料和回收設(shè)施，使循環(huán)塑料成為可能。”

研究人員下一步計(jì)劃開(kāi)發(fā)PDK塑料，該塑料具有廣泛的熱和機(jī)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(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)二酮烯胺鍵實(shí)現(xiàn)塑料閉環(huán)回收”的論文發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上。

資料來(lái)源：科技深度君

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