Nhựa và các vật liệu polyme khác đóng vai trò quan trọng trong xã hội hiện đại, nhưng việc sử dụng rộng rãi chúng tiêu thụ một lượng lớn tài nguyên hóa thạch có hạn và không tái tạo và tạo ra một lượng lớn chất thải trên đất liền hoặc trong đại dương. Do đó, việc tái chế và tái sử dụng chất thải polyme như nhựa có lợi ích sinh thái và kinh tế rất lớn. Các polyme tái chế vòng kín có khả năng tái chế vốn có và dễ dàng và có chọn lọc được khử trùng thành các monome có độ tinh khiết cao, có thể được tái trùng hợp thành các polyme có cùng tính chất. Chúng được coi là thế hệ tiếp theo của công nghệ tái chế polyme và đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng từ giới học thuật và ngành công nghiệp.

Gần đây, nhóm của Giáo sư Ma Songqi từ Khoa Hóa học và Kỹ thuật Vật liệu của Đại học Giang Nam đã công bố một bài báo học thuật tổng quan có tiêu đề "Polyme tái chế vòng kín từ thiết kế monome và polyme đến chu trình trùng hợp-tách trùng hợp" (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A) trên Chemical Society Reviews (hệ số tác động IF năm 2023 = 46,2), một tạp chí hóa học hàng đầu quốc tế do Hội Hóa học Hoàng gia thành lập. Bài đánh giá này trình bày chi tiết về ảnh hưởng của thiết kế cấu trúc monome đến quá trình tái chế vòng kín polyme và giải thích một cách có hệ thống cơ chế trùng hợp và tách trùng hợp monome của polyme đã chuẩn bị. Ngoài ra, bài báo còn bình luận về tác động của việc phát triển polyme tái chế vòng kín đối với môi trường, nền kinh tế và tài nguyên, chỉ ra tầm quan trọng của việc phát triển khoa học vật liệu tái chế vòng kín và đưa ra triển vọng phát triển polyme tái chế vòng kín trong tương lai. Trong số đó, Yang Shuaiqi, nghiên cứu sinh tiến sĩ năm 2023 tại Khoa Hóa học và Kỹ thuật Vật liệu của Đại học Giang Nam, là tác giả đầu tiên của bài báo này, và Giáo sư Ma Songqi là tác giả liên hệ.

Hình 1: Tóm tắt đồ họa (Sự phát triển của các polyme tái chế vòng kín có lợi cho sự phát triển xanh và bền vững của các vật liệu polyme như nhựa)

Đầu tiên, các polyme tái chế vòng kín được chia thành hai loại tùy theo việc các phân tử nhỏ khác có cần tham gia vào quá trình khử trùng hợp hay không (như thể hiện trong Hình 2).

Không giống như polyme tái chế vòng kín dựa trên quá trình thủy phân và khử trùng trao đổi động đòi hỏi sự tham gia của các phân tử nhỏ, bài tổng quan này chủ yếu tóm tắt tiến trình nghiên cứu về polyme tái chế vòng kín dựa trên quá trình trùng hợp mở vòng thuận nghịch và trùng hợp cộng thuận nghịch không đòi hỏi sự tham gia của các phân tử nhỏ khác. Để thuận tiện cho việc tóm tắt và thảo luận, theo các monome khác nhau như lactone, thiolactone, cacbonat vòng, olefin bị cản trở, cycloolefin, đồng phân olefin không bền nhiệt, disulfide vòng, axetal vòng (thio), lactam, monome cộng Diels-Alder, monome cộng Michael, monome anhydride-amide thứ cấp, monome anhydride-aldehyde vòng và polyme hoạt hóa nhóm cuối, chúng được chia thành nhiều loại phụ.

Hình 2: Polyme có thể tái chế dựa trên liên kết cộng hóa trị thuận nghịch hoặc hóa học: (A) Quá trình khử trùng đòi hỏi sự tham gia của các phân tử nhỏ khác (như thủy phân, ancol phân, amino phân, v.v.); (B) Quá trình khử trùng không đòi hỏi sự tham gia của các phân tử nhỏ khác (bài đánh giá này)

Thứ hai, cơ chế trùng hợp/tách trùng hợp, cấu trúc monome (cấu trúc lactone vòng như thể hiện trong Hình 3), sự tiến triển của các điều kiện trùng hợp/tách trùng hợp (cấu trúc chất xúc tác như thể hiện trong Hình 3) và tốc độ chuyển đổi trùng hợp tương ứng, trọng lượng phân tử polyme, tính chất polyme, tốc độ thu hồi monome của từng loại polyme tái chế vòng kín đã được tóm tắt và thảo luận, đồng thời tiến trình và những hạn chế của từng loại polyme tái chế vòng kín đã được tóm tắt.

Hình 3: Cấu trúc monome lacton (trái) và chất xúc tác trùng hợp và khử trùng hợp (phải)

Xét đến tầm quan trọng của các thiết bị khử trùng, bài đánh giá này tóm tắt và thảo luận riêng về các thiết bị khử trùng (Hình 4). Trong quá trình khử trùng, khử trùng và trùng hợp là một phản ứng cân bằng. Nếu các monome liên tục được chiết xuất từ ​​hệ thống, phản ứng sẽ tiếp tục diễn ra theo hướng khử trùng, do đó có thể đạt được tốc độ khử trùng cao và thậm chí có thể đạt được 100% khử trùng của polyme. monome. Do đó, một thiết bị khử trùng phù hợp không chỉ có thể thu được các monome có độ tinh khiết cao mà còn làm tăng đáng kể tốc độ thu hồi monome.

Hình 4: Các thiết bị phòng thí nghiệm được báo cáo có thể đạt được tỷ lệ khử trùng cao: (A) thiết bị chưng cất chân không đường ngắn; (B) máy bay hơi quay; (C) thiết bị thăng hoa

Trong phần tóm tắt cuối cùng, các tác giả đã tóm tắt quá trình trùng hợp của nhiều monome khác nhau và quá trình khử trùng hợp của các polyme tái chế vòng kín tương ứng, trong đó quá trình trùng hợp và khử trùng hợp của các monome vòng có liên quan đến kích thước của độ căng vòng monome (Hình 5). Mỗi loại polyme tái chế vòng kín liên quan đến bài đánh giá này đã được so sánh. Cuối cùng, các thách thức và hướng phát triển trong tương lai của polyme tái chế vòng kín cũng được chỉ ra: 1) Cân bằng giữa trùng hợp và khử trùng hợp; 2) Cân bằng giữa khử trùng hợp và hiệu suất; 3) Không có (hoặc ít) sản phẩm phụ trong quá trình tái chế; 4) Chi phí tái chế chấp nhận được; 5. Polyme tái chế vòng kín dựa trên các nguồn tài nguyên tái tạo; 6. Chất xúc tác khử trùng hợp có thể tái sử dụng; 7) Nghiên cứu công nghiệp.

Hình 5: Mối quan hệ giữa các cấu trúc monome khác nhau và quá trình trùng hợp/phân tách monome. (A) Quá trình trùng hợp và phân tách mở vòng của các monome vòng và polyme của chúng, và mối tương quan giữa độ căng vòng và quá trình trùng hợp và phân tách; (B) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ căng vòng của các monome lactone, thiolactone, cacbonat vòng, lactam, acetal vòng và olefin vòng