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新的催化工艺将塑料袋变成粘合剂

尽管许多城市和八个州都禁止使用一次性塑料,但塑料袋和其他聚乙烯包装仍然堵塞了垃圾填埋场,污染了河流和海洋。回收聚乙烯占全球塑料总产量的三分之一,这是一个主要的经济问题:回收的袋子最终只能制成低价值的产品,例如甲板和建筑材料,几乎没有动机来重复利用废物。

加州大学伯克利分校开发的一种新化学工艺将聚乙烯塑料转变成一种坚固且更有价值的胶粘剂,并可能改变这种结石。

亨利·拉波特(Henry Rapoport)的约翰·哈特维格(John Hartwig)表示:“我们的愿景是,您将带走一个毫无价值的塑料袋,而不是将其扔到垃圾填埋场,而是扔掉它,而不是扔掉它。加州大学伯克利分校有机化学系主任和研究小组负责人。“您不能将所有这些再生塑料全部使用-每年生产数千亿磅的聚乙烯-并将其转变为具有粘合特性的材料,但是如果您将其中的一小部分转变为具有一定粘性的材料,高价值的产品,可以改变将其剩余部分转化为低价值产品的经济性。”

对于大多数塑料而言,回收意味着将其切碎并制成通用产品,在此过程中,我们会努力地将原始塑料的许多特性(例如柔韧性和易加工性)抛弃掉。尽管新的回收方法可以将塑料分解成化学成分以用作燃料或润滑剂,但这些产品的价值也很低,并且在环境方面存在问题(另一种可燃烧的化石燃料)或使用寿命短。

为了使回收更具吸引力,研究人员和塑料行业一直在寻找“升级”的方法,即将回收的塑料转化为更有价值,寿命更长的产品。

哈特维格和他的同事开发的化学过程保留了聚乙烯的许多原始特性,但是在聚合物中添加了一个化学基团,使其粘附在金属上:聚乙烯通常做不到这一点。他的团队表明,改性聚乙烯甚至可以涂上水性乳胶。乳胶很容易剥离称为LDPE的标准低密度聚乙烯。

描述该过程的论文将于12月17日在线发表在《化学》杂志上,并将出现在1月份的印刷版中。

加州大学伯克利分校生物工程和材料科学与工程系的1941级教授菲利普·梅瑟史密斯(Phillip Messersmith)说:“我们能够增强粘合力,同时保留该行业认为有用的所有其他聚乙烯特性。” “在增强附着力的同时,可加工性,热稳定性和机械性能似乎没有受到损害。这很棘手。这确实是我们可以展示令人兴奋的事情的地方。”

尽管该方法尚不适合工业使用,但Hartwig认为可以改进它,并且可以作为添加除粘性以外的其他特性的起点。这一成功也暗示了其他催化剂可以与其他类型的塑料一起工作,例如回收塑料瓶中的聚丙烯,以生产出具有经济吸引力的高价值产品。

水性乳胶漆非常牢固地粘附在被称为Ox-LDPE的氧化聚乙烯上,即使经过11次尝试,Katerina Malollari仍无法用胶带将其除去。乳胶不粘附于普通塑料。图片来源:加州大学伯克利分校的照片,由Katerina Malollari摄

调整烃链

Hartwig专门设计新的催化工艺-在这种情况下,是在非常特定的位置向大型烃链或聚合物中添加较小的化学单元,以创建具有新的有用特性的“官能化聚合物”。这种反应是困难的,因为塑料的主要卖点是它们能抵抗化学反应。

对于这个项目,他想看看是否可以在沿着聚乙烯链的一小部分碳氢键中添加一个羟基(与氢或OH结合的氧)。

他说:“聚乙烯的链中通常有2,000至10,000个碳,每个碳上有两个氢-确实,它是CH2基团的海洋,称为亚甲基。” “我们浸入了文献中,寻找可以为亚甲基位置官能化找到的最具活性的催化剂。”

催化剂必须在高温下工作,因为固体回收塑料必须熔化。而且,它必须在非极性的溶剂中工作,因此必须能够与非极性的聚乙烯混合。这是它不粘附于极性或带电金属的原因之一。

Hartwig和博士后研究员Liye Chen选择了满足这些要求的钌基催化剂(多氟化钌卟啉),并且可以在聚合物链中添加OH基,而高活性羟基不会使聚合物链断裂。

出乎意料的是,该反应产生了一种聚乙烯化合物,该化合物牢固地粘附在铝金属上,大概是借助于沿聚乙烯烃链固定的OH分子。为了更好地理解粘着力,Chen与Messersmith实验室的研究生Katerina Malollari合作,研究对象是具有粘着特性的生物组织,特别是贻贝产生的胶。

Chen和Malollari发现,向聚合物中添加相对较小百分比的酒精可以使粘合力提高20倍。

梅塞尔史密斯说:“这种催化作用使化学变化只占聚合物的不到10%,但却大大增强了其粘附于其他表面的能力。”

他补充说,使聚乙烯能够粘附在包括乳胶漆在内的物体上,将创造许多机会。人工髋臼和膝关节植入物通常将聚乙烯与金属部件集成在一起,并且可以使其更好地与金属粘合。功能化的聚乙烯可用于涂覆电线,提供将其他聚合物粘合在一起的胶水(例如在牛奶纸箱中)或制造更耐用的塑料和金属复合材料(例如玩具)。

梅瑟史密斯说:“这里的实用工具能够引入这些官能团,这有助于解决聚乙烯粘合中许多长期存在的问题:聚乙烯与其他聚乙烯或其他聚合物以及与金属的粘合性。”

Hartwig预见到更多功能化复杂聚合物的功能,包括最常见的塑料聚丙烯。

他说:“我们是能够向长链烃聚合物中选择性引入官能团的仅有的几家集团之一。” “其他人可以打破链条,其他人可以使链条环环相扣,但实际上没有人能够将极性官能团引入链条中。”

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