Los plásticos y otros materiales poliméricos desempeñan un papel vital en la sociedad moderna, pero su uso generalizado consume una gran cantidad de recursos fósiles limitados y no renovables, y genera una gran cantidad de residuos en la tierra y en el océano. Por lo tanto, el reciclaje y la reutilización de residuos poliméricos, como los plásticos, ofrecen enormes beneficios ecológicos y económicos. Los polímeros reciclables de circuito cerrado tienen una reciclabilidad inherente y se despolimerizan fácil y selectivamente en monómeros de alta pureza, que pueden repolimerizarse en polímeros con las mismas propiedades. Se consideran la próxima generación de la tecnología de reciclaje de polímeros y han atraído cada vez más atención del mundo académico y la industria.

Recientemente, el equipo del profesor Ma Songqi, de la Facultad de Química e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Jiangnan, publicó un artículo académico de revisión titulado «Polímeros reciclables de circuito cerrado: desde el diseño de monómeros y polímeros hasta el ciclo de polimerización-despolimerización» (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A) en Chemical Society Reviews (factor de impacto de 2023, IF = 46,2), una prestigiosa revista internacional de química fundada por la Royal Society of Chemistry. Esta revisión profundiza en la influencia del diseño de la estructura monomérica en el reciclaje de polímeros de circuito cerrado y explica sistemáticamente el mecanismo de polimerización y despolimerización del polímero preparado. Además, el artículo analiza el impacto del desarrollo de polímeros reciclables de ciclo cerrado en el medio ambiente, la economía y los recursos, destaca la importancia de desarrollar la ciencia de materiales reciclables de ciclo cerrado y presenta perspectivas para el desarrollo futuro de estos polímeros. Entre ellos, Yang Shuaiqi, estudiante de doctorado de 2023 en la Facultad de Química e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Jiangnan, es el primer autor de este artículo, y el profesor Ma Songqi es el autor correspondiente.

Figura 1: Resumen gráfico (El desarrollo de polímeros reciclables de circuito cerrado favorece el desarrollo ecológico y sostenible de materiales poliméricos como los plásticos)

En primer lugar, los polímeros reciclables de circuito cerrado se dividen en dos categorías según si otras moléculas pequeñas necesitan participar en el proceso de despolimerización (como se muestra en la Figura 2).

A diferencia de los polímeros reciclables de circuito cerrado basados ​​en hidrólisis y despolimerización por intercambio dinámico, que requieren la participación de moléculas pequeñas, esta revisión resume principalmente el progreso de la investigación sobre polímeros reciclables de circuito cerrado basados ​​en polimerización reversible por apertura de anillo y polimerización reversible por adición, que no requieren la participación de otras moléculas pequeñas. Para facilitar el resumen y la discusión, se dividen en varias subcategorías según los diferentes monómeros, como lactonas, tiolactonas, carbonatos cíclicos, olefinas impedidas, cicloolefinas, comonómeros de olefinas térmicamente inestables, disulfuros cíclicos, (tio)acetales cíclicos, lactamas, monómeros de adición de Diels-Alder, monómeros de adición de Michael, monómeros de anhídrido-amida secundaria, monómeros de anhídrido cíclico-aldehído y polímeros activados por grupos terminales.

Figura 2: Polímeros reciclables basados ​​en enlaces covalentes reversibles o química: (A) La despolimerización requiere la participación de otras moléculas pequeñas (como hidrólisis, alcohólisis, aminólisis, etc.); (B) La despolimerización no requiere la participación de otras moléculas pequeñas (esta revisión)

En segundo lugar, se resumieron y discutieron el mecanismo de polimerización/despolimerización, la estructura del monómero (estructura de lactona cíclica como se muestra en la Figura 3), la evolución de las condiciones de polimerización/despolimerización (estructura del catalizador como se muestra en la Figura 3) y la tasa de conversión de polimerización correspondiente, el peso molecular del polímero, las propiedades del polímero, la tasa de recuperación de monómero de cada tipo de polímero reciclable de circuito cerrado, y se resumieron el progreso y las deficiencias de cada tipo de polímero reciclable de circuito cerrado.

Figura 3: Estructura del monómero de lactona (izquierda) y catalizadores de polimerización y despolimerización (derecha)

Considerando la importancia de los dispositivos de despolimerización, esta revisión resume y analiza cada uno de ellos por separado (Fig. 4). Durante el proceso de despolimerización, la despolimerización y la polimerización constituyen una reacción equilibrada. Si se extraen monómeros continuamente del sistema, la reacción continuará en dirección de la despolimerización, lo que permite obtener una alta tasa de despolimerización, incluso del 100 % del polímero. Por lo tanto, un dispositivo de despolimerización adecuado no solo permite obtener monómeros de alta pureza, sino que también aumenta significativamente la tasa de recuperación de monómeros.

Figura 4: Dispositivos de laboratorio reportados que pueden lograr altas tasas de despolimerización: (A) dispositivo de destilación al vacío de recorrido corto; (B) evaporador rotatorio; (C) dispositivo de sublimación

En el resumen final, los autores resumieron la polimerización de diversos monómeros y la despolimerización de los correspondientes polímeros reciclables de circuito cerrado, donde la polimerización y la despolimerización de monómeros cíclicos están relacionadas con la magnitud de la tensión del anillo monomérico (Figura 5). Se comparó cada tipo de polímero reciclable de circuito cerrado involucrado en esta revisión. Finalmente, también se señalan los desafíos y las futuras direcciones de desarrollo de los polímeros reciclables de circuito cerrado: 1) Equilibrio entre polimerización y despolimerización; 2) Equilibrio entre despolimerización y rendimiento; 3) Sin (o con bajos) subproductos en el proceso de reciclaje; 4) Costos de reciclaje aceptables; 5. Polímeros reciclables de circuito cerrado basados ​​en recursos renovables; 6. Catalizadores de despolimerización reutilizables; 7) Investigación industrial.

Figura 5: Relación entre diferentes estructuras monoméricas y la polimerización/despolimerización. (A) Polimerización y despolimerización por apertura de anillo de monómeros cíclicos y sus polímeros, y correlación entre la tensión de anillo y la polimerización y despolimerización; (B) Factores que afectan la tensión de anillo de monómeros de lactona, tiolactona, carbonato cíclico, lactama, acetal cíclico y olefina cíclica.