تلعب المواد البلاستيكية وغيرها من المواد البوليمرية دورًا حيويًا في المجتمع الحديث، ولكن استخدامها على نطاق واسع يستهلك كمية كبيرة من الموارد الأحفورية المحدودة وغير المتجددة ويولد كمية كبيرة من النفايات على الأرض أو في المحيط. لذلك، فإن إعادة تدوير وإعادة استخدام نفايات البوليمر مثل البلاستيك له فوائد بيئية واقتصادية هائلة. تتميز البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة بإمكانية إعادة التدوير المتأصلة ويمكن تحليلها بسهولة وبشكل انتقائي إلى مونومرات عالية النقاء، والتي يمكن إعادة بلمرتها إلى بوليمرات بنفس الخصائص. تعتبر الجيل القادم من تكنولوجيا إعادة تدوير البوليمر وقد جذبت اهتمامًا متزايدًا من الأوساط الأكاديمية والصناعية.

في الآونة الأخيرة، نشر فريق البروفيسور ما سونغ تشي من كلية الكيمياء وهندسة المواد بجامعة جيانجنان ورقة مراجعة أكاديمية بعنوان "البوليمرات القابلة لإعادة التدوير في حلقة مغلقة من تصميم المونومر والبوليمر إلى دورة البلمرة وإزالة البلمرة" (chem.soc.rev.، 2024، doi: 10.1039/d4cs00663a) في مراجعات الجمعية الكيميائية (عامل التأثير 2023 if = 46.2)، وهي مجلة كيميائية دولية رائدة أسستها الجمعية الملكية للكيمياء. تتناول هذه المراجعة تأثير تصميم بنية المونومر على إعادة تدوير البوليمر في حلقة مغلقة، وتشرح بشكل منهجي آلية بلمرة المونومر وإزالة البلمرة للبوليمر المحضر. بالإضافة إلى ذلك، يعلق المقال على تأثير تطوير البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة على البيئة والاقتصاد والموارد، ويشير إلى أهمية تطوير علم المواد القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة، ويطرح آفاق التطوير المستقبلي للبوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة. ومن بينهم، يانغ شواي تشي، طالب دكتوراه عام 2023 في كلية الكيمياء وهندسة المواد بجامعة جيانغنان، هو المؤلف الأول لهذه الورقة، والأستاذ ما سونغ تشي هو المؤلف المراسل.

الشكل 1: ملخص بياني (يساهم تطوير البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة في التنمية الخضراء والمستدامة للمواد البوليمرية مثل البلاستيك)

أولاً، يتم تقسيم البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة إلى فئتين وفقًا لما إذا كانت جزيئات صغيرة أخرى تحتاج إلى المشاركة في عملية إزالة البوليمر (كما هو موضح في الشكل 2).

على عكس البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة القائمة على التحلل المائي وإزالة البلمرة بالتبادل الديناميكي والتي تتطلب مشاركة جزيئات صغيرة، فإن هذه المراجعة تلخص بشكل أساسي التقدم البحثي للبوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة القائمة على بلمرة فتح الحلقة العكسية وبلمرة الإضافة العكسية التي لا تتطلب مشاركة جزيئات صغيرة أخرى. لتسهيل التلخيص والمناقشة، وفقًا للمونومرات المختلفة مثل اللاكتونات والثيولاكتونات والكربونات الحلقية والأوليفينات المعوقة والأوليفينات الحلقية ومونومرات الأوليفين غير المستقرة حرارياً وثنائي الكبريتيد الحلقي والأسيتالات الحلقية (ثيو) واللاكتامات ومونومرات إضافة ديلز-ألدر ومونومرات إضافة مايكل ومونومرات أميد ثانوية أنهيدريد ومونومرات أنهيدريد-ألدهيد حلقية وبوليمرات المجموعة النهائية المنشطة، يتم تقسيمها إلى العديد من الفئات الفرعية.

الشكل 2: البوليمرات القابلة لإعادة التدوير القائمة على الروابط التساهمية العكسية أو الكيمياء: (أ) تتطلب عملية إزالة البلمرة مشاركة جزيئات صغيرة أخرى (مثل التحلل المائي، والتحلل الكحولي، والتحلل الأميني، وما إلى ذلك)؛ (ب) لا تتطلب عملية إزالة البلمرة مشاركة جزيئات صغيرة أخرى (هذه المراجعة)

ثانيًا، تم تلخيص ومناقشة آلية البلمرة / إزالة البلمرة، وبنية المونومر (بنية اللاكتون الحلقي كما هو موضح في الشكل 3)، وتطور ظروف البلمرة / إزالة البلمرة (بنية المحفز كما هو موضح في الشكل 3)، ومعدل تحويل البلمرة المقابل، والوزن الجزيئي للبوليمر، وخصائص البوليمر، ومعدل استرداد المونومر لكل نوع من البوليمرات القابلة لإعادة التدوير في الحلقة المغلقة، وتم تلخيص التقدم والعيوب لكل نوع من البوليمرات القابلة لإعادة التدوير في الحلقة المغلقة.

الشكل 3: بنية مونومر اللاكتون (يسار) ومحفزات البلمرة وإزالة البلمرة (يمين)

نظرًا لأهمية أجهزة إزالة البلمرة، تلخص هذه المراجعة وتناقش أجهزة إزالة البلمرة بشكل منفصل (الشكل 4). أثناء عملية إزالة البلمرة، تكون إزالة البلمرة والبلمرة تفاعلًا متوازنًا. إذا تم استخراج المونومرات باستمرار من النظام، فسيستمر التفاعل في اتجاه إزالة البلمرة، بحيث يمكن الحصول على معدل إزالة بلمرة مرتفع، ويمكن تحقيق إزالة بلمرة البوليمر بنسبة 100٪. المونومر. لذلك، لا يمكن لجهاز إزالة البلمرة المناسب الحصول على مونومرات عالية النقاء فحسب، بل يزيد أيضًا بشكل كبير من معدل استرداد المونومر.

الشكل 4: الأجهزة المعملية المبلغ عنها والتي يمكنها تحقيق معدلات عالية من إزالة البوليمر: (أ) جهاز التقطير الفراغي قصير المسار؛ (ب) المبخر الدوار؛ (ج) جهاز التسامي

في الملخص النهائي، لخص المؤلفون بلمرة العديد من المونومرات وإزالة البلمرة من البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة المقابلة، حيث ترتبط بلمرة وإزالة البلمرة من المونومرات الحلقية بحجم توتر حلقة المونومر (الشكل 5). تمت مقارنة كل نوع من البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة المشاركة في هذه المراجعة. وأخيرًا، تمت الإشارة أيضًا إلى التحديات واتجاهات التطوير المستقبلية للبوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة: 1) التوازن بين البلمرة وإزالة البلمرة؛ 2) التوازن بين إزالة البلمرة والأداء؛ 3) عدم وجود (أو انخفاض) المنتجات الثانوية في عملية إعادة التدوير؛ 4) تكاليف إعادة التدوير المقبولة؛ 5. البوليمرات القابلة لإعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة القائمة على الموارد المتجددة؛ 6. محفزات إزالة البلمرة القابلة لإعادة الاستخدام؛ 7) البحث الصناعي.

الشكل 5: العلاقة بين هياكل المونومر المختلفة والبلمرة/إزالة البلمرة. (أ) بلمرة فتح الحلقة وإزالة البلمرة للمونومرات الحلقية وبوليمراتها، والعلاقة بين شد الحلقة والبلمرة وإزالة البلمرة؛ (ب) العوامل المؤثرة على شد الحلقة لمونومرات اللاكتون، والثيولاكتون، والكربونات الحلقية، واللاكتام، والأسيتال الحلقي، والأوليفين الحلقي.