聚酮烯胺：讓塑料無限次重組再生

文/莊炯鑫 何紅梅

塑料從1869年誕生至今已有120年歷史。易生產(chǎn)、難降解，廢棄塑料留給地球的白色污染如同一道道傷痕，讓人們不禁陷入沉思：人類會不會被淹沒在“塑料垃圾山峰”之下？

隨著人們對直接拋棄廢舊塑料行徑的堅(jiān)決抵制，不少國家立法減少使用一次性塑料，大型海洋清理項(xiàng)目開始啟動，再生塑料制品逐漸進(jìn)入尋常百姓家。

去年，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的研究人員成功合成一種新型材料聚酮烯胺，簡稱PDK。利用這種新材料對塑料分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行“分解-重組-循環(huán)”，再次賦予塑料新生。

廢塑料情歸何處

據(jù)初步估算，人類至今已生產(chǎn)超過90億噸塑料。僅2018年，全球塑料產(chǎn)品產(chǎn)量就達(dá)3.5億噸。這個(gè)數(shù)字目前正以每年5%的速度增長。

伯克利實(shí)驗(yàn)室研究者們認(rèn)為，人類生產(chǎn)的絕大部分塑料制品大部分未能真正實(shí)現(xiàn)回收利用。比如人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米疃嗟乃芰洗幢阊h(huán)利用也不過是制作更低等級的塑料制品，最糟糕的是直接廢棄于自然環(huán)境中，變成“生態(tài)兇手”。

全球諸多研究者致力于破解塑料回收利用難題。伯克利實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)廉價(jià)塑料制品以基礎(chǔ)單體為原料，通過加聚或者縮聚反應(yīng)形成高分子化合物，再通過組合填料、增塑劑、穩(wěn)定劑等添加劑來實(shí)現(xiàn)不同的性能。添加復(fù)雜成分讓塑料制品的分子結(jié)構(gòu)愈加難分難舍，即便回收利用，以之生產(chǎn)的再生塑料產(chǎn)品性能大大降低。

基于這一研究誕生的PDK基塑料，意味著廢棄塑料得到了更好的歸宿。

圖： 實(shí)驗(yàn)小組主要人員

打破一成回收困局

現(xiàn)階段，人們處理廢棄塑料的方法主要有三種：

填埋。塑料自然分解的周期從幾十年到幾百年，占用了巨大的地球自然空間。

焚燒。雖然耗時(shí)短，卻排放了大量帶毒氣體，必須使用更多資金和資源處理由此帶來的環(huán)境污染。

回收再利用。經(jīng)過嚴(yán)格的分揀、凈化等工序，在人類生產(chǎn)出來的90億噸塑料制品中，僅9%能被循壞利用。

由于塑料回收難度大、工序復(fù)雜，大多數(shù)只能降級回收。即使是目前回收利用率最高的PET塑料，回收率也僅為20%～30%。科學(xué)家們從分子角度打破塑料回收困局，有望提升塑料回收利用率。

PDK基塑料回收利用被寄予厚望。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。在強(qiáng)酸環(huán)境下很容易實(shí)現(xiàn)分子間的分離，使廢舊塑料制品能順利合成更好的新的塑料制品。就如同小孩子們手中的樂高積木一樣，只需要進(jìn)行簡單的組合，就可以一次又一次重新組合，而積木紋理、顏色和性能毫發(fā)無損。

分解單體重組再生

良性生態(tài)循環(huán)開啟

與傳統(tǒng)塑料不同，PDK塑料可以通過簡單的高酸性溶液浸泡過程回收。相對于廢棄塑料的“逆生長”生命周期來說，PDK基塑料的循環(huán)利用也沒有次數(shù)限制。

伯克利實(shí)驗(yàn)室研究人員認(rèn)為，人類正處在一個(gè)拯救生態(tài)的關(guān)鍵時(shí)期，現(xiàn)在應(yīng)該著眼于建立什么樣的塑料回收工廠及其配套設(shè)施，以便更好地分類處理數(shù)量龐大的可回收塑料制品。利用PDK實(shí)現(xiàn)塑料循環(huán)利用，體現(xiàn)的是改善地球生態(tài)的化學(xué)思維。顯然，酸不是破壞塑料材料分子鍵的唯一方法，其他可回收塑料顯然可以使用熱或其他化學(xué)催化劑恢復(fù)到單體狀態(tài)。

PDK可回收塑料可以很好替代當(dāng)前使用的諸多不可回收塑料。下一步，研究人員計(jì)劃開發(fā)具有更好熱性能和機(jī)械性能的PDK塑料，以應(yīng)用于紡織品、3D打印和泡沫塑料等領(lǐng)域。

讓塑料材料順利分解重組，如果這個(gè)問題解決，塑料將不再出現(xiàn)在垃圾填埋場或者焚燒爐中，也不再被無奈廢棄。在打通生產(chǎn)工藝、應(yīng)用場景、回收利用各個(gè)環(huán)節(jié)之后，全社會將形成一條塑料再生綠色產(chǎn)業(yè)鏈。

這種新材料的合成源自于一次偶然的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)伯克利實(shí)驗(yàn)室的Peter Christensen將各種酸添加在制造PDK黏合劑的玻璃器皿上時(shí)，實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)了PDK基塑料令人興奮的降解特性，并注意到黏合劑的成分發(fā)生了變化。

“讓我們驚訝的是，它們變成了原本的單體。”Peter Christensen對黏合劑的轉(zhuǎn)變感到好奇，用NMR(核磁共振)光譜儀分析了樣品中的分子結(jié)構(gòu)。

研究人員托付分子實(shí)驗(yàn)室測試各種配方，證實(shí)了酸不僅能使PDK聚合物分解為基礎(chǔ)單體，這一方法還可以使單體與纏繞的添加劑分離?；厥罩蟮腜DK單體通過重組，再生的聚合物不受原始材料的顏色或其他特性影響，實(shí)現(xiàn)升級利用。舉例來說，扔進(jìn)垃圾桶的破爛PDK基塑料凳子，經(jīng)過再生又能變成嶄新的電腦鍵盤。