Plásticos e outros materiais poliméricos desempenham um papel vital na sociedade moderna, mas seu uso generalizado consome uma grande quantidade de recursos fósseis limitados e não renováveis ​​e gera uma grande quantidade de resíduos em terra ou no oceano. Portanto, a reciclagem e a reutilização de resíduos de polímeros, como plásticos, têm enormes benefícios ecológicos e econômicos. Polímeros recicláveis ​​de circuito fechado têm reciclabilidade inerente e são fácil e seletivamente despolimerizados em monômeros de alta pureza, que podem ser repolimerizados em polímeros com as mesmas propriedades. Eles são considerados a próxima geração de tecnologia de reciclagem de polímeros e têm atraído cada vez mais atenção da academia e da indústria.

Recentemente, a equipe do Professor Ma Songqi da Escola de Química e Engenharia de Materiais da Universidade de Jiangnan publicou um artigo acadêmico de revisão intitulado "Polímeros recicláveis ​​de circuito fechado do design de monômeros e polímeros ao ciclo de polimerização-despolimerização" (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A) na Chemical Society Reviews (fator de impacto de 2023 IF = 46,2), um periódico internacional de química de ponta fundado pela Royal Society of Chemistry. Esta revisão elabora sobre a influência do design da estrutura do monômero na reciclagem de circuito fechado do polímero e explica sistematicamente o mecanismo de polimerização e despolimerização do monômero do polímero preparado. Além disso, o artigo comenta sobre o impacto do desenvolvimento de polímeros recicláveis ​​de circuito fechado no meio ambiente, economia e recursos, aponta a importância do desenvolvimento da ciência de materiais recicláveis ​​de circuito fechado e apresenta perspectivas para o desenvolvimento futuro de polímeros recicláveis ​​de circuito fechado. Entre eles, Yang Shuaiqi, aluno de doutorado de 2023 na Escola de Química e Engenharia de Materiais da Universidade de Jiangnan, é o primeiro autor deste artigo, e o professor Ma Songqi é o autor correspondente.

Figura 1: Resumo gráfico (O desenvolvimento de polímeros recicláveis ​​de circuito fechado é propício ao desenvolvimento verde e sustentável de materiais poliméricos, como plásticos)

Primeiro, os polímeros recicláveis ​​de circuito fechado são divididos em duas categorias, de acordo com a necessidade de outras moléculas pequenas participarem do processo de despolimerização (conforme mostrado na Figura 2).

Ao contrário dos polímeros recicláveis ​​de circuito fechado baseados em hidrólise e despolimerização de troca dinâmica que requerem a participação de pequenas moléculas, esta revisão resume principalmente o progresso da pesquisa de polímeros recicláveis ​​de circuito fechado baseados em polimerização de abertura de anel reversível e polimerização de adição reversível que não requerem a participação de outras moléculas pequenas. Para a conveniência do resumo e discussão, de acordo com diferentes monômeros, como lactonas, tiolactonas, carbonatos cíclicos, olefinas impedidas, cicloolefinas, comonômeros de olefina termicamente instáveis, dissulfetos cíclicos, acetais cíclicos (tio), lactamas, monômeros de adição de Diels-Alder, monômeros de adição de Michael, monômeros de anidrido-amida secundária, monômeros de anidrido-aldeído cíclicos e polímeros ativados por grupo final, eles são divididos em muitas subcategorias.

Figura 2: Polímeros recicláveis ​​baseados em ligações covalentes reversíveis ou química: (A) A despolimerização requer a participação de outras moléculas pequenas (como hidrólise, alcoólise, aminólise, etc.); (B) A despolimerização não requer a participação de outras moléculas pequenas (esta revisão)

Em segundo lugar, o mecanismo de polimerização/despolimerização, a estrutura do monômero (estrutura da lactona cíclica, conforme mostrado na Figura 3), a evolução das condições de polimerização/despolimerização (estrutura do catalisador, conforme mostrado na Figura 3) e a taxa de conversão de polimerização correspondente, o peso molecular do polímero, as propriedades do polímero, a taxa de recuperação de monômero de cada tipo de polímero reciclável de circuito fechado foram resumidos e discutidos, e o progresso e as deficiências de cada tipo de polímero reciclável de circuito fechado foram resumidos.

Figura 3: Estrutura do monômero de lactona (esquerda) e catalisadores de polimerização e despolimerização (direita)

Considerando a importância dos dispositivos de despolimerização, esta revisão resume e discute os dispositivos de despolimerização separadamente (Fig. 4). Durante o processo de despolimerização, a despolimerização e a polimerização são uma reação equilibrada. Se os monômeros forem continuamente extraídos do sistema, a reação continuará a prosseguir na direção da despolimerização, de modo que uma alta taxa de despolimerização pode ser obtida, e até mesmo 100% de despolimerização do polímero pode ser alcançada. monômero. Portanto, um dispositivo de despolimerização adequado pode não apenas obter monômeros de alta pureza, mas também aumentar significativamente a taxa de recuperação do monômero.

Figura 4: Dispositivos de laboratório relatados que podem atingir altas taxas de despolimerização: (A) dispositivo de destilação a vácuo de caminho curto; (B) evaporador rotativo; (C) dispositivo de sublimação

No resumo final, os autores resumiram a polimerização de vários monômeros e a despolimerização dos polímeros recicláveis ​​de circuito fechado correspondentes, nos quais a polimerização e a despolimerização de monômeros cíclicos estão relacionadas ao tamanho da tensão do anel do monômero (Figura 5). Cada tipo de polímero reciclável de circuito fechado envolvido nesta revisão foi comparado. Finalmente, os desafios e as futuras direções de desenvolvimento de polímeros recicláveis ​​de circuito fechado também são apontados: 1) Equilíbrio entre polimerização e despolimerização; 2) Equilíbrio entre despolimerização e desempenho; 3) Nenhum (ou baixo) subproduto no processo de reciclagem; 4) Custos de reciclagem aceitáveis; 5. Polímeros recicláveis ​​de circuito fechado baseados em recursos renováveis; 6. Catalisadores de despolimerização reutilizáveis; 7) Pesquisa industrial.

Figura 5: Relação entre diferentes estruturas de monômeros e polimerização/despolimerização. (A) Polimerização e despolimerização por abertura de anel de monômeros cíclicos e seus polímeros, e a correlação entre tensão do anel e polimerização e despolimerização; (B) Fatores que afetam a tensão do anel de lactona, tiolactona, carbonato cíclico, lactama, acetal cíclico e monômeros de olefina cíclica