熱固性塑料擁有高強度、耐用等特點，目前廣泛應用在汽車車身/輪胎、加熱電器等部件製造中，在現代塑料和橡膠工業中起着關鍵作用。它約佔當今生產的聚合材料的20%，全球年產量約為6500萬噸。
不過，這種材料有一個明顯的一個缺點:它們在冷卻、使用後通常不容易回收或分解，因為將它們結合在一起的化學鍵比其他材料(如熱塑性塑料)中的化學鍵更為牢固。
麻省理工學院的化學家現在已經開發出一種使用化學連接劑改性熱固性塑料的方法，該方法可使材料更容易分解，但仍能保持其機械強度，因此非常有用。
當地時間7月22日最新發表在《自然》雜誌上的一項研究中，研究人員表明，他們可以生產可降解版本的熱固性塑料，稱為熱固性聚雙環戊二烯(pDCPD)——將其分解為粉末，然後使用該粉末製造更多的pDCPD。相關研究成果以“Cleavable comonomers enable degradable, recyclable thermoset plastics”為題發表。
他們還提出了一個理論模型，表明他們的方法可以適用於各種塑料和其他聚合物，例如橡膠。
麻省理工學院化學教授，該研究的資深作者耶利米·約翰遜(Jeremiah Johnson)表示:“這項工作揭示了一種基本的設計原理，我們認為這種基本的設計原理對於任何一種熱固性塑料都是通用的。”
這種方法主要是通過摻入含有甲硅烷基醚基團的結構單元或單體來創建可降解聚合物。該單體無規分佈在整個材料中，當材料暴露於酸、鹼或離子(如氟化物)時，甲硅烷基醚鍵斷裂。
圖:材料設計原理
用於合成這些聚合物的相同類型的化學反應也用於製造某些熱固性塑料，包括聚二環戊二烯(pDCPD)，用於卡車和公共汽車的車身面板。
他們發現，如果甲硅烷基醚單體佔整體材料的7.5%-10%，pDCPD將保持其機械強度，但在暴露於氟離子時會分解成可溶性粉末。
在研究的第二階段，研究人員試圖將所得粉末再利用以形成新的pDCPD材料。將粉末溶解在用於製備pDCPD的前體溶液中後，他們能夠從回收的粉末中製備新的pDCPD熱固性塑料。結果發現，與原始材料相比，新材料幾乎沒有區別，並且在某種程度上改善了機械性能。
圖:在pDCPD熱固性材料鏈中精確放置少量可降解鍵可降解為可溶產物
圖:摻雜甲硅烷基醚基iPrSi的pDCPD降解產物表徵和及其回收再利用
這些發現表明，可裂解鍵位置的優化可以用作實現受控的熱固性降解的設計原理。
研究人員認為，這種通用方法也可以應用於其他類型的熱固性化學。在這項研究中，他們表明，使用可降解的單體形成聚合物的單鏈比使用可降解的鍵將鏈“交聯”在一起要有效得多。他們認為，這種可裂解鏈的方法，可用於產生許多其他種類的可降解材料。
伊利諾伊大學化學教授傑弗裏·摩爾(Jeffrey Moore)説:“這是工程熱固性塑料領域令人激動的進步。” “化學家們花費了他們的大部分精力來學習合成更好的塑料，而對聚合物解構科學的化學研究投入卻少得多。”
Jeremiah Johnson表示，如果能為其他類型的聚合反應找到合適種類的可降解單體，那麼這種方法可用於製造其他熱固性材料的可降解形式，例如丙烯酸、環氧樹脂、硅酮或硫化橡膠。
研究人員現在希望組建一家公司來許可該技術並將其商業化。麻省理工學院還授予Millipore Sigma非排他性許可，以生產和銷售用於研究目的的甲硅烷基醚單體。
該研究由美國國家科學基金會和美國國立衞生研究院資助。
參考來源:http://news.mit.edu/2020/tough-thermoset-plastics-recyclable-0722
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2495-2