研究人员开发了一种开创性的方法，可以将废弃塑料升级为具有增强性能的新材料。

这一创新不仅为全球塑料垃圾危机提供了一个潜在的解决方案 —— 超过90%的废弃塑料最终被填埋或污染自然环境 —— 而且还将废物转化为有价值的多功能塑料。

将塑料废物转化为高价值材料

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的化学家们已经开发出一种方法来修饰废弃塑料中的聚合物，创造出比原始塑料性能更好的新材料。这一过程被称为“升级再造”，可以帮助解决全球塑料垃圾危机。目前，每年约有4.5亿吨塑料被丢弃，但只有9%被回收利用。大多数垃圾最终被填埋、入海或焚烧。

ORNL的发明有可能重塑塑料废物的未来，通过重新排列塑料的分子构建块来提高它们的性能。塑料是由聚合物链（连接在一起的分子亚基）组成的，这些聚合物链可以重组成更坚固、更耐用、更耐热的材料。通过改变这些聚合物链的连接方式，科学家们可以开发出具有广泛应用的多功能塑料。

从诺贝尔获奖分子编辑中汲取灵感

分子编辑是如此有前途，它已经成为两个诺贝尔化学奖的基础。2005年，该奖颁给了复合反应的开发者，这种反应可以打破环和链中的碳原子之间的双键，使它们的亚基可以交换，创造出仅受想象力限制的新分子。同样，在2020年，该奖颁给了CRISPR的开发者。CRISPR是用于编辑DNA链的“基因剪刀”，DNA链是由携带生命密码的核苷酸亚基组成的生物聚合物。

“这是用于编辑聚合物的CRISPR，”ORNL的杰弗里·福斯特说，他领导了一项发表在《美国化学学会杂志》上的研究。“然而，我们编辑的不是基因链，而是聚合物链。这不是典型的塑料回收‘融化并期待最好的结果’。”

以高废塑料为目标，产生更大影响

ORNL的研究人员精确地编辑了导致塑料废物的商品聚合物。在一些实验中，研究人员使用了橡胶轮胎中常见的软聚丁二烯。在其他实验中，他们使用了坚韧的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，塑料玩具、电脑键盘、通风管道、防护帽、汽车饰件和模具以及厨房用具的材料。

福斯特说：“这是一种根本没有被回收利用的废物流。”“我们正在利用这项技术解决废物流的一个重要组成部分。这将产生相当大的影响，因为现在进入垃圾填埋场的材料可以节省质量和能量。”

升级再造过程：废弃聚合物的溶解和改性

将废聚合物溶解是制造聚合物合成添加剂的第一步。研究人员将合成或商用的聚丁二烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯粉碎，并将材料浸入溶剂二氯甲烷中，在低温（40摄氏度）下进行不到两小时的化学反应。

钌催化剂促进聚合或聚合物加成。工业公司已经使用这种催化剂来制造坚固的塑料，并毫不费力地将生物质（如植物油）转化为燃料和其他高价值的有机化合物，这突显了它在化学升级回收中的潜力。

聚合物骨架的分子构建块包含官能团或原子簇，作为修饰的反应位点。值得注意的是，碳之间的双键增加了化学反应的机会，使聚合成为可能。一个碳环在双键处打开，形成一个聚合物链，当每个功能聚合物单元直接插入时，聚合物链就会增长，从而保存了材料。塑料添加剂还有助于控制合成材料的分子量，进而控制其性能。

扩大升级再造到工业规模的应用

如果这种材料合成策略可以扩展到更广泛的工业重要聚合物，那么它将被证明是一种经济上可行的途径，可以重复使用今天只能用于单一产品的制造材料。例如，升级后的材料可能比原来的聚合物更柔软、更有弹性，或者更容易成型和硬化成耐用的热固性产品。

科学家们同时采用两种方法对塑料垃圾进行升级再造。两者都是复元，也就是位置的改变。碳原子之间的双键断裂并形成，使得聚合物亚基交换。

一种称为开环复分解聚合的过程是打开碳环并将其拉长成链。另一个过程称为交叉复合，将聚合物亚基链从一条聚合物链插入另一条聚合物链。

为什么传统的回收不足

传统的回收无法捕捉废弃塑料的价值，因为它重复使用的聚合物在每次融化和再利用时都会降解，从而变得不那么有价值。相比之下，ORNL的创新升级回收利用了现有的建筑模块，结合了废物的质量和特性，并提供了额外的功能和价值。

“新工艺具有很高的原子经济性，”福斯特说。“这意味着我们几乎可以回收我们投入的所有材料。”

ORNL的科学家们证明，与传统的回收相比，该工艺使用更少的能源，产生更少的排放，有效地整合了废料，而不会影响聚合物的质量。Foster、Ilja Popovs和Tomonori Saito对论文的观点进行了概念化。Nicholas Galan、Isaiah Dishner和Foster合成了单体亚基并优化了它们的聚合反应。Joshua Damron进行了核磁共振波谱实验来分析反应动力学。Jackie Zheng、Chao Guan和Anisur Rahman对最终材料的机械和热性能进行了表征。

扩大规模，打造循环经济的未来

福斯特说：“我们的愿景是，这个概念可以扩展到任何具有某种主官能团的聚合物上。”如果扩大规模并使用其他添加剂，则可以开采更多种类的废物作为分子构建块，从而大大减少其他难以加工的塑料对环境的影响。循环经济 —— 废物被重新利用而不是被丢弃 —— 因此成为一个更现实的目标。

研究人员的下一个计划是探索聚合物链中不同类型的亚基，并重新排列它们以开发高性能热固性材料。这些材料包括环氧树脂、硫化橡胶、聚氨酯和硅树脂。与其他塑料不同，热固性塑料一旦固化，其紧密交联的分子结构就会阻止它们重新熔化或重塑，这使得回收利用变得特别困难。

研究人员还对工业加工过程中环境可持续性的溶剂优化感兴趣。

福斯特说：“我们还需要对这些废塑料进行一些预处理。”

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