Пластики и другие полимерные материалы играют жизненно важную роль в современном обществе, но их широкое использование потребляет большое количество ограниченных и невозобновляемых ископаемых ресурсов и создает большое количество отходов на суше или в океане. Поэтому переработка и повторное использование полимерных отходов, таких как пластик, имеет огромные экологические и экономические преимущества. Полимеры, пригодные для вторичной переработки в замкнутом цикле, обладают присущей им способностью к вторичной переработке и легко и избирательно деполимеризуются в мономеры высокой чистоты, которые могут быть повторно полимеризованы в полимеры с теми же свойствами. Они считаются следующим поколением технологий переработки полимеров и привлекают все большее внимание со стороны академических кругов и промышленности.

Недавно команда профессора Ма Сунци из Школы химии и материаловедения Университета Цзяннань опубликовала обзорную научную статью под названием «Замкнутые перерабатываемые полимеры от проектирования мономеров и полимеров до цикла полимеризации-деполимеризации» (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A) в Chemical Society Reviews (фактор импакт-фактора 2023 г. IF = 46,2), ведущем международном химическом журнале, основанном Королевским химическим обществом. В этом обзоре подробно рассматривается влияние проектирования структуры мономеров на замкнутую переработку полимеров и систематически объясняется механизм полимеризации мономеров и деполимеризации приготовленного полимера. Кроме того, в статье комментируется влияние разработки полимеров замкнутого цикла вторичной переработки на окружающую среду, экономику и ресурсы, указывается на важность разработки науки о материалах замкнутого цикла вторичной переработки и излагаются перспективы будущего развития полимеров замкнутого цикла вторичной переработки. Среди них Ян Шуайци, докторант 2023 года в Школе химии и материаловедения Университета Цзяннань, является первым автором этой статьи, а профессор Ма Сунци является автором-корреспондентом.

Рисунок 1: Графическая аннотация (Разработка полимеров замкнутого цикла, пригодных для вторичной переработки, способствует экологичному и устойчивому развитию полимерных материалов, таких как пластмассы)

Во-первых, полимеры, пригодные для вторичной переработки в замкнутом цикле, делятся на две категории в зависимости от того, должны ли другие малые молекулы участвовать в процессе деполимеризации (как показано на рисунке 2).

В отличие от полимеров замкнутого цикла, пригодных для вторичной переработки, основанных на гидролизе и динамической обменной деполимеризации, которые требуют участия малых молекул, этот обзор в основном суммирует ход исследований полимеров замкнутого цикла, пригодных для вторичной переработки, основанных на обратимой полимеризации с раскрытием кольца и обратимой аддитивной полимеризации, которые не требуют участия других малых молекул. Для удобства обобщения и обсуждения, в соответствии с различными мономерами, такими как лактоны, тиолактоны, циклические карбонаты, затрудненные олефины, циклоолефины, термически нестабильные олефиновые сомономеры, циклические дисульфиды, циклические (тио)ацетали, лактамы, мономеры присоединения Дильса-Альдера, мономеры присоединения Михаэля, мономеры вторичных амидов ангидрида, мономеры циклического ангидрида-альдегида и полимеры с активированной конечной группой, они разделены на множество подкатегорий.

Рисунок 2: Перерабатываемые полимеры на основе обратимых ковалентных связей или химии: (A) Деполимеризация требует участия других малых молекул (например, гидролиз, алкоголиз, аминолиз и т. д.); (B) Деполимеризация не требует участия других малых молекул (этот обзор)

Во-вторых, были обобщены и обсуждены механизм полимеризации/деполимеризации, структура мономера (структура циклического лактона, как показано на рисунке 3), эволюция условий полимеризации/деполимеризации (структура катализатора, как показано на рисунке 3) и соответствующая скорость полимеризационной конверсии, молекулярная масса полимера, свойства полимера, скорость восстановления мономера каждого типа перерабатываемого полимера замкнутого цикла, а также были обобщены достижения и недостатки каждого типа перерабатываемого полимера замкнутого цикла.

Рисунок 3: Структура мономера лактона (слева) и катализаторы полимеризации и деполимеризации (справа)

Учитывая важность устройств для деполимеризации, в этом обзоре суммируются и обсуждаются устройства для деполимеризации по отдельности (рис. 4). В процессе деполимеризации деполимеризация и полимеризация являются сбалансированной реакцией. Если мономеры непрерывно извлекаются из системы, реакция будет продолжать протекать в направлении деполимеризации, так что может быть получена высокая скорость деполимеризации, и может быть достигнута даже 100% деполимеризация полимера. мономера. Поэтому подходящее устройство для деполимеризации может не только получать мономеры высокой чистоты, но и значительно увеличивать скорость извлечения мономера.

Рисунок 4: Известные лабораторные устройства, которые могут достигать высоких скоростей деполимеризации: (A) устройство для вакуумной дистилляции с коротким путем; (B) роторный испаритель; (C) устройство для сублимации.

В заключительном резюме авторы обобщили полимеризацию различных мономеров и деполимеризацию соответствующих перерабатываемых полимеров замкнутого цикла, в которых полимеризация и деполимеризация циклических мономеров связаны с размером натяжения мономерного кольца (рисунок 5). Каждый тип перерабатываемого полимера замкнутого цикла, рассматриваемый в этом обзоре, был сравнен. Наконец, также указаны проблемы и будущие направления развития перерабатываемых полимеров замкнутого цикла: 1) Баланс между полимеризацией и деполимеризацией; 2) Баланс между деполимеризацией и производительностью; 3) Отсутствие (или низкое) количество побочных продуктов в процессе переработки; 4) Приемлемые затраты на переработку; 5. Перерабатываемые полимеры замкнутого цикла на основе возобновляемых ресурсов; 6. Многоразовые катализаторы деполимеризации; 7) Промышленные исследования.

Рисунок 5: Связь между различными структурами мономеров и полимеризацией/деполимеризацией. (A) Полимеризация с раскрытием кольца и деполимеризация циклических мономеров и их полимеров, а также корреляция между натяжением кольца и полимеризацией и деполимеризацией; (B) Факторы, влияющие на натяжение кольца лактона, тиолактона, циклического карбоната, лактама, циклического ацеталя и циклических олефиновых мономеров