La plastica e altri materiali polimerici svolgono un ruolo fondamentale nella società moderna, ma il loro uso diffuso consuma una grande quantità di risorse fossili limitate e non rinnovabili e genera una grande quantità di rifiuti sulla terraferma o nell'oceano. Pertanto, il riciclaggio e il riutilizzo di rifiuti polimerici come la plastica hanno enormi benefici ecologici ed economici. I polimeri riciclabili a ciclo chiuso hanno una riciclabilità intrinseca e sono facilmente e selettivamente depolimerizzati in monomeri ad alta purezza, che possono essere ripolimerizzati in polimeri con le stesse proprietà. Sono considerati la prossima generazione di tecnologia di riciclaggio dei polimeri e hanno attirato sempre più attenzione da parte del mondo accademico e dell'industria.

Di recente, il team del professor Ma Songqi della School of Chemistry and Materials Engineering della Jiangnan University ha pubblicato un articolo accademico di revisione intitolato "Polimeri riciclabili a ciclo chiuso dalla progettazione di monomeri e polimeri al ciclo di polimerizzazione-depolimerizzazione" (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A) in Chemical Society Reviews (fattore di impatto IF 2023 = 46,2), una delle principali riviste di chimica internazionale fondata dalla Royal Society of Chemistry. Questa revisione elabora l'influenza della progettazione della struttura monomerica sul riciclaggio a ciclo chiuso del polimero e spiega sistematicamente il meccanismo di polimerizzazione e depolimerizzazione del monomero del polimero preparato. Inoltre, l'articolo commenta l'impatto dello sviluppo di polimeri riciclabili a circuito chiuso sull'ambiente, l'economia e le risorse, sottolinea l'importanza di sviluppare la scienza dei materiali riciclabili a circuito chiuso e propone prospettive per lo sviluppo futuro di polimeri riciclabili a circuito chiuso. Tra questi, Yang Shuaiqi, uno studente di dottorato del 2023 presso la School of Chemistry and Materials Engineering della Jiangnan University, è il primo autore di questo articolo e il professor Ma Songqi è l'autore corrispondente.

Figura 1: Abstract grafico (lo sviluppo di polimeri riciclabili a ciclo chiuso favorisce lo sviluppo verde e sostenibile di materiali polimerici come la plastica)

In primo luogo, i polimeri riciclabili a circuito chiuso vengono suddivisi in due categorie a seconda che altre piccole molecole debbano partecipare al processo di depolimerizzazione (come mostrato nella Figura 2).

A differenza dei polimeri riciclabili a ciclo chiuso basati su idrolisi e depolimerizzazione a scambio dinamico che richiedono la partecipazione di piccole molecole, questa revisione riassume principalmente i progressi della ricerca sui polimeri riciclabili a ciclo chiuso basati su polimerizzazione reversibile ad apertura di anello e polimerizzazione reversibile per addizione che non richiedono la partecipazione di altre piccole molecole. Per comodità di sintesi e discussione, in base a diversi monomeri come lattoni, tiolattoni, carbonati ciclici, olefine impedite, cicloolefine, comonomeri di olefine termicamente instabili, disolfuri ciclici, (tio) acetali ciclici, lattami, monomeri di addizione di Diels-Alder, monomeri di addizione di Michael, monomeri di anidride-ammide secondaria, monomeri di anidride-aldeide ciclica e polimeri attivati ​​da gruppo terminale, sono suddivisi in molte sottocategorie.

Figura 2: Polimeri riciclabili basati su legami covalenti reversibili o chimica: (A) La depolimerizzazione richiede la partecipazione di altre piccole molecole (come idrolisi, alcolisi, aminolisi, ecc.); (B) La depolimerizzazione non richiede la partecipazione di altre piccole molecole (questa revisione)

In secondo luogo, sono stati riassunti e discussi il meccanismo di polimerizzazione/depolimerizzazione, la struttura del monomero (struttura del lattone ciclico come mostrato nella Figura 3), l'evoluzione delle condizioni di polimerizzazione/depolimerizzazione (struttura del catalizzatore come mostrato nella Figura 3) e il corrispondente tasso di conversione della polimerizzazione, il peso molecolare del polimero, le proprietà del polimero, il tasso di recupero del monomero di ciascun tipo di polimero riciclabile a circuito chiuso, e sono stati riassunti i progressi e le carenze di ciascun tipo di polimero riciclabile a circuito chiuso.

Figura 3: Struttura del monomero lattone (sinistra) e catalizzatori di polimerizzazione e depolimerizzazione (destra)

Considerata l'importanza dei dispositivi di depolimerizzazione, questa revisione riassume e discute i dispositivi di depolimerizzazione separatamente (Fig. 4). Durante il processo di depolimerizzazione, la depolimerizzazione e la polimerizzazione sono una reazione bilanciata. Se i monomeri vengono estratti continuamente dal sistema, la reazione continuerà a procedere nella direzione della depolimerizzazione, in modo che si possa ottenere un elevato tasso di depolimerizzazione e persino il 100% di depolimerizzazione del polimero. monomero. Pertanto, un dispositivo di depolimerizzazione adatto può non solo ottenere monomeri ad alta purezza, ma anche aumentare significativamente il tasso di recupero del monomero.

Figura 4: Dispositivi di laboratorio segnalati che possono raggiungere elevati tassi di depolimerizzazione: (A) dispositivo di distillazione sotto vuoto a percorso breve; (B) evaporatore rotante; (C) dispositivo di sublimazione

Nella sintesi finale, gli autori hanno riassunto la polimerizzazione di vari monomeri e la depolimerizzazione dei corrispondenti polimeri riciclabili a circuito chiuso, in cui la polimerizzazione e la depolimerizzazione dei monomeri ciclici sono correlate alla dimensione della tensione dell'anello monomerico (Figura 5). È stato confrontato ogni tipo di polimero riciclabile a circuito chiuso coinvolto in questa revisione. Infine, vengono anche evidenziate le sfide e le direzioni di sviluppo future dei polimeri riciclabili a circuito chiuso: 1) Equilibrio tra polimerizzazione e depolimerizzazione; 2) Equilibrio tra depolimerizzazione e prestazioni; 3) Nessun (o basso) sottoprodotto nel processo di riciclaggio; 4) Costi di riciclaggio accettabili; 5. Polimeri riciclabili a circuito chiuso basati su risorse rinnovabili; 6. Catalizzatori di depolimerizzazione riutilizzabili; 7) Ricerca industriale.

Figura 5: Relazione tra diverse strutture monomeriche e polimerizzazione/depolimerizzazione. (A) Polimerizzazione e depolimerizzazione per apertura di anello di monomeri ciclici e dei loro polimeri, e correlazione tra tensione dell'anello e polimerizzazione e depolimerizzazione; (B) Fattori che influenzano la tensione dell'anello di lattone, tiolattone, carbonato ciclico, lattame, acetale ciclico e monomeri di olefina ciclica