工艺展览

　　固性塑料包括环氧树脂、聚氨酯和轮胎用橡胶，在耐用和耐热产品（如汽车或电器）中相当常见。这类材料的一大缺点是使用后通常不易回收或降解，因为它们相结合的化学键比热塑性塑料等其他材料中的化学键更为牢固。

　　麻省理工学院的化学家发现了一种方法，利用一种化学连接剂对热固性塑料改性。这种方法使材料更容易降解，但仍能保持原有机械强度继而实用性不变。

　　《自然》杂志刊载的一项研究中，研究人员表示他们制造出一种可降解的热固性塑料pDCPD，它可以降解成粉末，并利用这种粉末可以制造出更多pDCPD。他们还提出了一个理论模型，表明他们的方法可适用的塑料范围广泛，甚至适用于其他聚合物，如橡胶。

　　麻省理工学院化学教授、该研究的资深作者杰里米•约翰逊（Jeremiah Johnson）坦言：“这项研究揭示了一个基本的设计原则，我们大家都认为这种原则普遍适用于任何一种具有该基本结构的热固性塑料。”

　　麻省理工学院美国癌症研究所博士后研究员佩顿•谢（Peyton Shieh）是这篇论文的第一作者。

　　热固性塑料和热塑性塑料是塑料的两大主要类别之一。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯，用于塑料袋和其他一次性塑料（如食品包装）。这些材料的制作流程为：加热塑料小颗粒直至其熔化，注塑制成所需的形状，再冷却成固体。

　　约占75%全球塑料产量的热塑性塑料，能够最终靠再次加热直至变成液态来被回收利用，从而能被重塑成新的形状。

　　热固性塑料也由类似过程制成，但是一旦从液态冷却成固态，就很难恢复为液态。这是因为在聚合物分子之间所形成的键是共价键，这在化学连接中极为牢固、很难断开。约翰逊称，加热后，热固性塑料通常得先燃烧，才能重新去成型。

　　他说：“热塑型塑料一旦被塑造成特定的形状，在其常规使用的寿命内都将保持该形状，通常没有简单的回收方法。”

　　麻省理工团队希望开发一种方法，保留热固性塑料强度高、极耐用的优点，同时使其在使用后更容易降解。

　　在去年第一作者为谢的一篇论文中，约翰逊小组报告了一种方法，通过掺入含硅醚基团的结构单元或单体来制造用来施药的可降解聚合物。该单体在整个材料中无规则分布，当材料接触酸、碱或离子(如氟化物)时，硅醚键断裂。

　　用于合成这些聚合物的同类型的化学反应也适用来制造某些热固性塑料，包括聚双环戊二烯(pDCPD)，它是卡车和公共汽车车身面板的材料。

　　研究人员采取他们2019年论文中的策略，将硅醚基单体添加到形成pDCPD的液体前驱体中。他们发现如果硅醚基单体占整体材料的7.5%-10%，那么pDCPD将保留其机械强度，但接触氟离子时会分解成可溶性粉末。

　　约翰逊说：“这是我们第一个令人兴奋的发现，让pDCPD降解的同时又不破坏它实用的机械性能。”

　　在研究的第二阶段，研究人员试图将所得粉末再利用去制造新的pDCPD材料。将粉末溶解在用于制造pDCPD的前驱体溶液中，随后他们能从回收的粉末中制造新的pDCPD热固性塑料。

　　约翰逊表示：“与原始材料相比，新材料基本上没有区别，并且在某一些程度上改善了机械性能。这表明你能够正常的使用可降解产品，并可用相同的方法重新制造同样的热固性塑料，这多么令人兴奋啊。”

　　研究人员认为，这种普遍做法也可应用于别的类型的热固性化学。这项研究中，他们展示了用可降解单体形成的聚合物单链比使用可降解化学键“交联”链要有效得多，这在之前已尝试过了。他们都以为这种可裂解链的方法可用来生产许多其他种类的可降解材料。

　　约翰逊称，如果能为别的类型的聚合反应找到种类合适的可降解单体，那么这种方法可用来制造其他热固性材料的可降解形态，例如丙烯酸、环氧树脂、硅酮或硫化橡胶。

　　研究人员现在希望成立一个企业来授权该项技术并使其商业化。麻省理工学院还授予Millipore Sigma非独占许可证来生产和销售硅醚单体用于研究。

　　帕特里克•凯西(Patrick Casey)是SP Insight的新产品顾问，也是麻省理工学院Deshpande技术创新中心的导师，一直与约翰逊和谢合作，共同评估该项技术，包括进行一些初步的经济建模和证券交易市场研究。

　　凯西说：“我们已与一些行业领先者讨论了这项技术，他们告诉我们，它会有利于整个价值链中的所有利益相关者。零件制造商能够得到一系列低成本的回收材料；设备制造商（如汽车制造商）能轻松实现其可持续发展目标；而回收商可以从热固性塑料制品中获得新的收入。消费者节省了成本，所有人都得到了更清洁的环境。”