這種塑料源自可再生油，性能高，還可完全閉環回收！

來源： Nature Portfolio

塑料是寶貴的材料，但它們會消耗石油資源並且在環境中持久存在。一種源自可再生油的高性能塑料已被設計出來，可在分子層面上達到真正的可回收利用。

觸目驚心的照片揭露了填埋場和海洋中塑料堆積的窘境，這促使人們不得不重新考慮塑料的使用。塑料生產不僅消耗日益減少的原油資源，而且大部分沒有得到有效的回收再利用、變成了環境污染物。塑料有許多種類，但都含有聚合物。要解決塑料問題，需要從許多不同的途徑着手，但是，根本上來說，必須對塑料聚合物的化學結構進行重新設計從而提高其可持續性[1]。主要的目標是使製造塑料的原材料多樣化，不能侷限於化石燃料；保存其結構中的內在能源和寶貴資源；充分維持其可使用性，不因多次循環回收而損耗；設計出當需要時分子結構可完全分解的塑料[2-4]。近日，Häußler 等人[5]在《自然》雜誌上撰文報道了一種有可能滿足以上所有標準的塑料。

高密度聚乙烯（HDPE）是一種受到廣泛應用的塑料，具有長而直的聚乙烯鏈——一種由重複的CH2CH2單元組成的聚合物。當結晶時，HDPE具有優異的性能可應用於多種用途，包括用於製造電絕緣體，管道和洗滌劑瓶。HDPE通常通過熔融和再加工進行機械式回收[6]（圖1a）。儘管如此，目前的塑料垃圾管理極其無效。美國環境保護署發現2018年，從混合塑料廢料流中回收再利用的塑料總量不到10%，HDPE瓶子僅約30%（見go.nature.com/3jw8meq）。機械式回收利用也會在每一輪迴收後產生劣質的材料，而就HDPE來說，控制回收產品的結晶度挺難的[7，8]。

圖1 | 重新設計高密度聚乙烯（HDPE）。a，工業級HDPE是一種廣泛使用的塑料，由具化學惰性的聚合物組成，該聚合物由不可再生的石油基單體形成。儘管對其可以進行機械式回收再利用（通過熔融和再加工），但會導致材料性能的下降。b， Häußler等人[5]報道了一種具有與HDPE相當性能的新型塑料，由從可再生植物或微藻類中獲得的單體構成。該單體在其每個末端都具有特定官能團，可在最終的聚合物鏈中形成“斷裂點”。這些斷裂點將允許該聚合物通過化學回收變回其單體形式，然後可被用來重新制造塑料。作者們用這種塑料做出了各種物件，比如手機殼，並證明了該塑料的性能不會因循環使用而降低

除了機械回收，另一種方法是化學回收（也稱爲閉環回收），長鏈的聚合物在使用後被分解，以此產生和原來一樣的那些最初被用於製造它們的分子結構塊（單體）。該方法的優點在於這些單體可以被反覆地重新聚合，從而產生與原來性質一樣的高性能材料。不幸的是，這種方法對於HDPE是無效的，因爲需要大量的能量去打破它的碳-碳鍵。這些化學鍵的強度也解釋了聚乙烯在環境中的持久性以及它爲什麼難以被酶降解。

現在，Häußler等人報道了具有HDPE許多關鍵特性的塑料，同時其也可被完全閉環回收。作者們開發了一種高產出率的化學方法（反應收率超過95%），將從植物或微藻類中提煉出來的油轉化爲具有高分子量的聚合物。這種聚合物的長鏈中包含一小部分規律分佈的碳酸根或者酯鍵（圖1b）。其在水或者普通乙醇中會發生我們熟知的“溶劑分解”反應，所有的聚合鏈會被完全打開，使回收幾乎所有（96%）單體成爲可能，並實現閉環回收。作者們報告道，從溶劑解反應中分離出聚合物單體是簡單直接的，而且這些單體被成功地重新聚合，生產出保留了原始塑料性質的材料。

這項工作的關鍵進展在於，它同時解決了許多長期困擾可持續聚合物領域的艱鉅挑戰。來自Häußler課題組的研究人員在過去的幾十年間開創了這種能將天然油轉化爲有用的單體的化學方法[9]。這些作者們利用高效催化反應（反應收率80-90%）在單體兩端有選擇性地安裝官能團；這些基團構成了聚合物中所需“斷點”的基礎。然後就能用成熟的方法對單體進行聚合。作者們發現，在聚合反應中使用特定的共聚體（碳酸二乙酯）可以形成高分子量的聚合物。這對於製造一種與HDPE的熱工、機械和加工性能相匹配的塑料是至關重要的。

Häußler及其同事展示了這種新型塑料可以通過注塑和3D打印等常見的工業技術進行加工，還可以向其添加染色劑或碳纖維（作爲添加劑廣泛用於增加聚合物的強度）。他們還演示了，當新塑料與傳統塑料（如商用聚對苯二甲酸乙二醇酯即PET，其被廣泛用於飲料瓶，也是通過溶劑解反應進行化學回收的候選塑料）混合後，新塑料的溶劑解反應會有選擇性地發生。這一概念驗證的結果暗示，選擇性回收新型塑料在未來可能成真。

儘管這些發現擁有巨大的希望，但重要的是要認識到這仍然是早期的基礎研究。聚合物到聚合物的回收再利用的實驗僅僅使用了20克的新材料，要將其轉化爲工業規模的工藝和產品尚需大量的工作。這種聚合物生命週期的其它部分仍然有重要的工程挑戰亟待解決，包括找到大規模生產這種生物質衍生單體的方法以及開發製造、成型和回收塑料的工業流程。

此外，經濟方面的考量給這些努力蒙上了一層陰影。工業上使用的塑料，比如HDPE，以數百萬噸的規模生產，並且通常以每公斤1-3美元的價格出售。期望一種新塑料立即具有成本競爭力是不合理的，但是這類價格問題會使新塑料的推行變得極具挑戰。

新塑料與現有固體廢棄物管理系統的整合程度也是需要回答的問題——如果它要取代HDPE，必須證明它能兼容於不同地區以及不同設施的塑料垃圾分離方法。與目前大多數的回收策略不同，Häußler等人報道的化學回收方法需要一座化工廠。不過，鼓舞人心的是，報道中的化學反應似乎非常適用於工業方法。而且，報道中的系統似乎契合歐洲的立法，後者需要製造商對他們的消費者使用後的塑料產品負責。

Häußler及其同事的工作是令人興奮且振奮人心的，因爲想從再生資源中提取塑料、同時該產品需要具有卓越性能、能與大規模製造加工技術兼容、且完全可回收利用，是極具挑戰性的——幾乎沒有什麼材料能滿足所有這些標準。作者們的工作是一個極好的例子，彰顯了科學創新並非僅僅去解決單個組成部分，而是去解決一個問題的方方面面。下一步必須去建立在目前工作下提出的全生命週期評估，以便在可持續性方面提供更大的改進。更廣泛地看，社會也必須要求製造商對目前使用的塑料的所有環境影響提供同等的全生命週期評估和估價，以便明確替換的優先次序。