據外媒報道，通過編輯廢棄塑料的聚合物，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的化學家們找到了一種方法，可以生成比原材料更有價值的新大分子。升級再造可能有助于解決全球每年約4.5億噸塑料廢棄問題，而這些廢棄塑料中只有9%得到回收利用，其余的則被焚燒或最終進入垃圾填埋場、海洋或其他地方。

圖片來源：ORNL

ORNL的發明可能會通過重新排列聚合物結構單元來定制塑料的性質，從而改變塑料的環境命運。分子亞基連接起來產生聚合物鏈，這些聚合物鏈可以通過其主鏈和交聯分子連接起來，形成多用途塑料。聚合物鏈的組成決定了這些塑料的強度、剛性或耐熱性。

“這是用于編輯聚合物的CRISPR，”ORNL的Jeffrey Foster說道。“然而，我們不是編輯基因鏈，而是編輯聚合物鏈。這不是典型的塑料回收‘融化并希望得到最好結果’的情況。”

ORNL的研究人員精確地編輯了對塑料廢物有重大貢獻的商品聚合物。在一些實驗中，研究人員使用了軟聚丁二烯，這種材料在橡膠輪胎中很常見。在其他實驗中，他們使用了堅韌的丙烯腈丁二烯苯乙烯，塑料玩具、電腦鍵盤、通風管、防護頭飾、車輛裝飾和模具以及廚房用具的材料。

“這是一種根本無法回收的廢物流，”Foster表示。“我們利用這項技術解決了廢物流中的一個重要組成部分。從節省目前進入垃圾填埋場的材料的質量和能量來看，這將產生相當大的影響。”

溶解廢棄聚合物是制造聚合物合成用直接添加劑的第一步。研究人員將合成或商用聚丁二烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯切碎，然后將材料浸入溶劑二氯甲烷中，在低溫（40℃）下進行化學反應，時間不到兩小時。

釕催化劑促進了聚合或聚合物添加。工業公司已經使用這種催化劑制造堅固的塑料，并毫不費力地將植物油等生物質轉化為燃料和其他高價值有機化合物，凸顯了其在化學升級再造中的應用潛力。

聚合物主鏈的分子構件包含功能團或原子簇，可作為改性的反應位點。值得注意的是，碳之間的雙鍵增加了發生聚合反應的機會。碳環在雙鍵處打開，形成聚合物鏈，隨著每個功能聚合物單元直接滑入，聚合物鏈不斷增長，從而保護了材料。塑料添加劑還有助于控制合成材料的分子量，進而控制其性質和性能。

如果這種材料合成策略可以擴展到更廣泛的工業重要聚合物，那么它將被證明是一種經濟可行的途徑，可以重復使用目前只能用于單一產品的制造材料。例如，升級后的材料可能比原來的聚合物更軟、更有彈性，或者更容易成型和硬化成耐用的熱固性產品。

科學家們通過同時采用兩種工藝對塑料廢物進行了升級。兩者都是復分解的類型，這意味著位置的改變。碳原子之間的雙鍵斷裂并形成，使聚合物亞基可以交換。

一種稱為開環復分解聚合的工藝，打開碳環并將其拉長成鏈。另一種稱為交叉復分解的工藝，將聚合物亞基鏈從一個聚合物鏈插入另一個聚合物鏈。

傳統回收無法捕捉廢棄塑料的價值，因為它重新使用隨著每次熔化和再利用而降解而價值降低的聚合物。相比之下，ORNL的創新升級再造利用現有的構建塊來整合廢料的質量和特性，并提供額外的功能和價值。

“新工藝具有很高的原子經濟性，”Foster表示。“這意味著我們幾乎可以回收所有投入的材料。”

ORNL的科學家證明，該工藝比傳統回收工藝消耗更少的能源，產生的排放更少，可以有效地整合廢料，而不會損害聚合物的質量。、

“我們的愿景是，這一概念可以擴展到任何具有某種主鏈官能團可與之反應的聚合物，”Foster表示。如果擴大規模并擴展到使用其他添加劑，則可以從更廣泛的廢物類別中開采分子構件，從而大大減少其他難以加工的塑料對環境的影響。循環經濟——廢料被重新利用而不是丟棄——將成為一個更現實的目標。

接下來，研究人員有興趣改變聚合物鏈中亞基的類型并重新排列它們，看看它們是否可以制造出高性能熱固性材料。例如環氧樹脂、硫化橡膠、聚氨酯和硅樹脂。一旦固化，熱固性材料就無法重新熔化或重塑，因為它們的分子結構是交聯的。這使得它們的回收成為一個挑戰。

研究人員還對優化溶劑以實現工業加工過程中的環境可持續性感興趣。“這些廢塑料需要進行一些預處理，我們仍需弄清楚，”Foster表示。