- 來源：降解塑料專委會
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- 發布時間：2025-03-27
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近日，蘇黎世聯邦理工學院的聚合物化學家取得一項重大研究成果，他們發現了一種創新方法，能夠將 PMMA 塑料（即人們熟知的有機玻璃）近乎完全地分解為其單體結構單元，并且這一過程不受添加劑存在的影響。
當前，塑料回收領域存在諸多限制。常見的回收對象主要集中在收集分類后的 PET 或聚乙烯飲料瓶，這些塑料具有相似的化學成分、聚合物分子長度，以及用于增強特定性能的添加劑，使得它們能夠通過熔化重塑的方式制成新瓶子。然而，對于其他種類繁雜的塑料，例如混合塑料，通常只能在水泥廠通過焚燒來獲取熱量，無法實現有效的回收利用。
蘇黎世聯邦理工學院的材料研究團隊成功開發出一種具有開創性的方法，首次達成了有機玻璃近乎完全的回收利用。該方法能夠將有機玻璃的聚合物鏈分解為單個的單體結構單元，隨后借助簡單的蒸餾工藝進行純化。這些純化后的單體可作為原生級起始產品，用于合成全新的有機玻璃聚合物。
有機玻璃，化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），全球年產量約 390 萬噸。因其具備耐用、輕便等特性，在航空航天、汽車制造、屏幕顯示器生產以及建筑等眾多行業得到廣泛應用。此次由蘇黎世聯邦理工學院聚合物材料實驗室 Athina Anastasaki 領導的科研團隊所研發的工藝，在《科學》雜志上發表，展現出強大的適用性。無論是由 10,000 個單體結構單元構成的超長聚合物鏈，還是含有共聚物、增塑劑、染料等各類添加劑的有機玻璃，該工藝都能高效應對。即使是 DIY 市場的彩色有機玻璃，分解產物的產量也能維持在 94% - 98% 之間。
簡便且高效的分解過程
“我們的工藝十分簡便，”Anastasaki 強調，“僅需一種氯基溶劑，將溶解有回收混合物的溶液加熱至 90°C 至 150°C，在紫外線或可見光的輔助下，即可啟動解聚反應。”
一直以來，像有機玻璃這類由碳原子聚合物鏈組成的塑料，實現其碳鏈向單體的精準分裂面臨巨大挑戰。這些均勻的碳鏈缺乏可供分裂反應特定的作用位點，導致以往難以突破。目前工業上采用的熱解方法，需將碳鏈在 400°C 左右的高溫下進行分解，不僅能源消耗巨大，而且反應缺乏特異性，會產生多種切割產物，后續處理這些混合物的凈化成本高昂，極大地限制了熱解的經濟效率。
過去幾年間，多個研究小組嘗試對聚合物進行改性，在聚合物鏈末端引入易于分離的分子基團，從而從鏈端觸發解構過程，雖實現了 90% 以上的產量，但這種改性聚合物存在諸多弊端。一方面，需要先將其融入現有的塑料生產體系；另一方面，反應性端基會嚴重影響聚合物的熱穩定性，進而限制其應用范圍。此外，許多常用的塑料添加劑會降低反應產率，使得解聚效果在商業塑料長聚合物鏈的情況下大打折扣。
溶劑主導的反應機制
就像化學中經常發生的情況一樣，新方法是偶然發現的。Anastasaki 解釋道：“我們原本致力于尋找能夠促進目標分解為單體的特定催化劑，然而一次對照實驗卻意外發現，催化劑并非必要條件。”
實驗表明，溶解有機玻璃碎樣的氯化溶劑，在紫外光的作用下，足以實現聚合物的近乎完全分解。
研究人員深入探究分裂反應后，揭示了其中令人驚嘆的機制。他們發現，反應中的活性物質是氯自由基。當受到紫外線激發時，氯自由基從氯化溶劑中分離出來。高波長光能夠破壞氯與溶劑分子之間的化學鍵，僅有極少部分溶劑分子能夠吸收高波長的紫外線。
為深入研究該反應機制，Anastasaki 借助了蘇黎世聯邦理工學院（ETH）其他研究團隊的專業力量。高分子化學實驗室的 Tae-Lim Choi 對相關分子的理論電子狀態進行了計算，分子物理科學研究所的 Gunnar Jeschke 則通過電子順磁共振測量，對理論預測進行了實驗驗證。
邁向更環保的改進目標
盡管這一成果意義重大，但研究人員并未滿足于此。ETH 的研究人員計劃在未來的回收過程中摒棄氯化溶劑的使用。Anastasaki 表示：“氯化化合物會對環境造成危害，因此我們的下一個目標是改進反應，使其在無氯化溶劑的條件下仍能順利進行。”
目前，該方法在實際應用中的具體實施方式和時間尚未明確。不過，Anastasaki 及其研究團隊無疑為塑料回收領域開辟了新的方向，有望推動更多此前難以分解回收的塑料實現有效利用，為可持續發展貢獻重要力量。