Plastikler ve diğer polimer malzemeler modern toplumda hayati bir rol oynar, ancak yaygın kullanımları büyük miktarda sınırlı ve yenilenemeyen fosil kaynakları tüketir ve karada veya okyanusta büyük miktarda atık üretir. Bu nedenle, plastikler gibi polimer atıklarının geri dönüştürülmesi ve yeniden kullanılmasının büyük ekolojik ve ekonomik faydaları vardır. Kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerler doğal olarak geri dönüştürülebilirliğe sahiptir ve kolayca ve seçici bir şekilde yüksek saflıkta monomerlere depolimerize edilir, bu monomerler aynı özelliklere sahip polimerlere yeniden polimerize edilebilir. Bunlar polimer geri dönüşüm teknolojisinin yeni nesli olarak kabul edilir ve akademi ve endüstriden giderek daha fazla ilgi görmektedir.

Son zamanlarda, Jiangnan Üniversitesi Kimya ve Malzeme Mühendisliği Okulu'ndan Profesör Ma Songqi'nin ekibi, Royal Society of Chemistry tarafından kurulan uluslararası bir üst düzey kimya dergisi olan Chemical Society Reviews'da (2023 etki faktörü IF = 46.2) "Monomer ve polimer tasarımından polimerizasyon-depolymerizasyon döngüsüne kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerler" başlıklı bir inceleme akademik makalesi yayınladı (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A). Bu inceleme, monomer yapı tasarımının polimer kapalı devre geri dönüşümü üzerindeki etkisini ayrıntılı olarak ele alıyor ve hazırlanan polimerin monomer polimerizasyonu ve depolimerizasyonunun mekanizmasını sistematik olarak açıklıyor. Ek olarak, makale kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin geliştirilmesinin çevre, ekonomi ve kaynaklar üzerindeki etkisine yorum yapıyor, kapalı devre geri dönüştürülebilir malzeme biliminin geliştirilmesinin önemine işaret ediyor ve kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin gelecekteki gelişimi için beklentiler ortaya koyuyor. Bunlar arasında, Jiangnan Üniversitesi Kimya ve Malzeme Mühendisliği Okulu'nda 2023 doktora öğrencisi olan Yang Shuaiqi bu makalenin ilk yazarı ve Profesör Ma Songqi de ilgili yazardır.

Şekil 1: Grafik Özet (Kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin geliştirilmesi, plastikler gibi polimer malzemelerin yeşil ve sürdürülebilir gelişimine katkıda bulunur)

İlk olarak, kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerler, depolimerizasyon sürecine başka küçük moleküllerin katılması gerekip gerekmediğine göre iki kategoriye ayrılır (Şekil 2'de gösterildiği gibi).

Küçük moleküllerin katılımını gerektiren hidroliz ve dinamik değişim depolimerizasyonuna dayanan kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin aksine, bu inceleme esas olarak diğer küçük moleküllerin katılımını gerektirmeyen geri dönüşümlü halka açma polimerizasyonu ve geri dönüşümlü ekleme polimerizasyonuna dayanan kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin araştırma ilerlemesini özetlemektedir. Özet ve tartışma kolaylığı için, laktonlar, tiyolaktonlar, siklik karbonatlar, engellenmiş olefinler, sikloolefinler, termal olarak kararsız olefin komonomerleri, siklik disülfitler, siklik (tiyo) asetaller, laktamlar, Diels-Alder ekleme monomerleri, Michael ekleme monomerleri, anhidrit-sekonder amid monomerleri, siklik anhidrit-aldehit monomerleri ve uç grup aktifleştirilmiş polimerler gibi farklı monomerlere göre birçok alt kategoriye ayrılırlar.

Şekil 2: Geri dönüşümlü kovalent bağlara veya kimyaya dayalı geri dönüştürülebilir polimerler: (A) Depolimerizasyon diğer küçük moleküllerin katılımını gerektirir (hidroliz, alkoliz, aminoliz vb. gibi); (B) Depolimerizasyon diğer küçük moleküllerin katılımını gerektirmez (bu inceleme)

İkinci olarak, polimerizasyon/depolymerizasyon mekanizması, monomer yapısı (Şekil 3'te gösterildiği gibi halkalı lakton yapısı), polimerizasyon/depolymerizasyon koşullarının evrimi (Şekil 3'te gösterildiği gibi katalizör yapısı) ve karşılık gelen polimerizasyon dönüşüm oranı, polimer molekül ağırlığı, polimer özellikleri, her tip kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerin monomer geri kazanım oranı özetlenip tartışılmış ve her tip kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerin ilerlemesi ve eksiklikleri özetlenmiştir.

Şekil 3: Lakton monomer yapısı (sol) ve polimerizasyon ve depolimerizasyon katalizörleri (sağ)

Depolimerizasyon cihazlarının önemini göz önünde bulundurarak, bu inceleme depolimerizasyon cihazlarını ayrı ayrı özetler ve tartışır (Şekil 4). Depolimerizasyon süreci sırasında depolimerizasyon ve polimerizasyon dengeli bir reaksiyondur. Monomerler sistemden sürekli olarak çıkarılırsa, reaksiyon depolimerizasyon yönünde ilerlemeye devam eder, böylece yüksek bir depolimerizasyon oranı elde edilebilir ve hatta polimerin 0 depolimerizasyonu elde edilebilir. monomer. Bu nedenle, uygun bir depolimerizasyon cihazı yalnızca yüksek saflıkta monomerler elde etmekle kalmaz, aynı zamanda monomer geri kazanım oranını da önemli ölçüde artırabilir.

Şekil 4: Yüksek depolimerizasyon oranlarına ulaşabilen bildirilen laboratuvar cihazları: (A) kısa yol vakum damıtma cihazı; (B) döner buharlaştırıcı; (C) süblimasyon cihazı

Son özet bölümünde yazarlar çeşitli monomerlerin polimerizasyonunu ve ilgili kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin depolimerizasyonunu özetlediler. Burada döngüsel monomerlerin polimerizasyonu ve depolimerizasyonu monomer halka geriliminin boyutuyla ilişkilidir (Şekil 5). Bu incelemede yer alan her kapalı devre geri dönüştürülebilir polimer türü karşılaştırılmıştır. Son olarak, kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerlerin zorlukları ve gelecekteki geliştirme yönleri de belirtilmiştir: 1) Polimerizasyon ve depolimerizasyon arasındaki denge; 2) Depolimerizasyon ve performans arasındaki denge; 3) Geri dönüşüm sürecinde yan ürün olmaması (veya düşük olması); 4) Kabul edilebilir geri dönüşüm maliyetleri; 5. Yenilenebilir kaynaklara dayalı kapalı devre geri dönüştürülebilir polimerler; 6. Yeniden kullanılabilir depolimerizasyon katalizörleri; 7) Endüstriyel araştırma.

Şekil 5: Farklı monomer yapıları ile polimerizasyon/depolymerizasyon arasındaki ilişki. (A) Halka açma polimerizasyonu ve halkalı monomerlerin ve polimerlerinin depolimerizasyonu ve halka gerginliği ile polimerizasyon ve depolimerizasyon arasındaki ilişki; (B) Lakton, tiyolakton, halkalı karbonat, laktam, halkalı asetal ve halkalı olefin monomerlerinin halka gerginliğini etkileyen faktörler