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中科院化學所張軍、張金明團隊 AFM：開關型水可回收纖維素基熱塑材料
2024-11-20  來源：高分子科技

  高分子材料使人類的生活發生了革命性的改變，其低成本、輕便、性能多樣和易加工等優勢使人們能夠按需制造出各種實用性制件。但是，使用后的高分子材料大部分采用填埋和丟棄等方式直接進入到環境中，帶來了嚴重的“塑料污染”問題，同時造成了資源浪費。因此，高分子材料的回收再利用受到了全世界的廣泛關注。特別是，現實中熱塑塑料通常與其他材料或其他類型熱塑塑料混合使用，導致其回收利用難以實現。


  近日，中國科學院化學研究所張軍、張金明團隊設計了一種開關水溶型熱塑材料，不僅能滿足日常使用需要，而且可以通過開關方式用水分離回收。該材料以天然高分子纖維素為主鏈，包含2種功能基團：內增塑基團（苯丙酸酯）和開關基團（偏苯酸酯），實現了熱塑加工性能、疏水性和開關水溶性。其通過常規熱塑加工方式可制得各種形式塑料制件、纖維、熱封包裝、透明水杯等，所得制件表現出優異水穩定性和力學性能。將該材料與鋁箔、紙板等復合，制得可水回收的利樂包，不僅回收簡便，而且阻氧和阻水性能優異；厥諘r，使用弱堿性水溶液觸發該材料的水溶性，實現與其他組分的分離；在水溶液中加入少量酸，即可沉淀回收CPp-TA，回收率高達100%。這種新奇的開關水溶策略為塑料的回收再利用提供了新思路（圖1）。


圖 1 開關型水溶熱塑高分子的回收策略。


  CPp-TA表現出優異的熱塑性能（圖 2）。通過常見的熱壓過程，可以制得大尺寸的高透明塑料板材。由于疏水性的苯丙酸酯基團取代了親水性的羥基基團，在中性和酸性條件下，CPp-TA水接觸角>79°，不溶于水。而且，CPp-TA具有優異的水穩定性，即使在水中長時間浸泡其吸水率<10%。在堿性條件下，偏苯酸酯基團中的COOH基團轉變為COONa，CPp-TA親水性增強。當足夠數量的COOH基團轉變為COONa時，CPp-TA的水溶性被打開，其可以溶解在水中。觸發CPp-TA水溶性需要一定條件：水溶液的pH>8.5；苯丙酸酯基團取代度不高于1.8；偏苯酸酯基團取代度不低于0.75。通過對CPp-TA化學結構的精準調控，可以改變材料的開關水溶性能。


圖 2 開關型水溶熱塑高分子的加工成型與性能。


  基于CPp-TA開關水溶性能，可以將CPp-TA的紙塑復合材料、鋁塑復合材料和塑料混合物進行快速且有效的分離（圖3）。將CPp-TA復合材料置于堿性水溶液中，CPp-TA溶于水中，其他組分和污染物（如：油漬、砂礫等）懸浮水中或沉于水底。通過物理分離，即可將CPp-TA水溶液、其他組合和污染物分離。向CPp-TA水溶液加入酸，將CPp-TA沉淀，分離回收。以紙/鋁/CPp-TA復合材料為例，將紙/鋁/CPp-TA復合材料置于堿性水溶液中，CPp-TA溶于水中，鋁箔漂浮在水面，紙板由于吸水沉于水底。物理分離即可將CPp-TA水溶液、鋁箔和紙板進行分離。向CPp-TA水溶液中加入少量酸，使CPp-TA沉淀，即可循環使用。因此，CPp-TA利樂包材料不僅具有優異的阻隔性能，而且回收便利，具有回收經濟性，為鋁塑包裝材料的回收提供了可持續的新策略。無紡布/CPp-TA復合材料同樣可以實現快速水回收。將CPp-TA與石油基高分子材料混合，采用堿性水溶液選擇性溶解，分離，得到CPp-TA和石油基高分子材料。回收的CPp-TA與PE通過熱塑工藝可以制得塑料制件。高分子材料廢棄物大多以混合物的形式存在，混合物中組成的不確定性為回收和循環使用帶來了巨大困難。具有開關水溶解性的CPp-TA以熱塑高分子材料的反溶劑“水”為回收溶劑，在使用期間水穩定，使用完后觸發開關實現水溶回收，為高分子材料混合物回收提供了新方案。


圖 3 復合材料和混合高分子的水分離。


  該研究成果以“Aqu-Thermoplastics: Recycling Plastics with Water”為題發表于Adv. Funct. Mater.期刊，該論文的第一作者為中科院化學所尹春春助理研究員，通訊作者為中科院化學所張金明研究員。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417119

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（責任編輯：xu）
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