南科大陈忠仁教授团队《Acc. Mater. Res.》: 解缠高分子链 - 从尺寸和拓扑到加工与回收

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为应对这一挑战， 南方科技大学陈忠仁教授团队 提出高分子材料设计范式的转变 - 致力于构建 真正可持续的高分子材料 ， 强调高分子 材料设计应从高分子物理的基本原理出发 - 从链尺寸和拓扑结构设计到动态键工程， 遵循 “ 制备 - 加工 - 应用 - 循环 ” 一体化策略，整合 “ 性能优先、加工友好、循环友好 ” 三大 目标 ，通过解缠高分子链，我们有望解 开围绕 塑料污染的社会困局 ， 实现 真正 可持续高分子材料的 绿色理想 。 在高分子 物理基本原理 的指导下 ，该文 深入探究聚合物链尺寸、拓扑结构、加工工艺与可回收性之间复杂的相互作用关系，为可持续材料设计提供前瞻性解决方案 。 探讨的 内容 包括 ：

（ 1 ）双峰分子量分布解耦材料的 加工 - 性能权衡 ，实现材料力学性能和加工性能的同时提升

（ 2 ）链拓扑结构设计用于混合塑料增容回收和新型弹性体设计

（ 3 ）链解缠 突破 超高分子量聚合物材料的 加工瓶颈

** 加工 - 力学性能权衡 **

聚合物材料的 力学 性能与其分子量息息相关，为了获得最基本的力学性能，合成的聚合物链尺寸必须超过临界缠结分子量（ M _c ）。在半结晶聚合物中，分子量（ M _w ）会影响结晶、缠结和系带分子，从而改变材料的力学强度和延展性。系带分子贯穿多个结晶域，有效地将 其 连接在一起。高比例的系带分子确保了晶区的连通性，有助于提高材料的强度、韧性和耐久性。

图 1 . 聚合物粘度与分子量的关系

然而，超高分子量聚合物虽然保证了优异的材料性能，但也带来了加工方面的挑战。如 图 1 所示，在超过 M _c 的情况下，随着分子量的增加，相互缠结的线性聚合物链粘度（ η ）急剧增加，即 η ~ M _w ^3.4 ，这显著增加了材料的加工难度。

这种在力学性能与加工性之间的权衡是聚合物科学中的一个普遍挑战，而在聚烯烃领域，这种权衡尤为突出。作为最广泛使用的合成聚合物之一，聚烯烃（如聚乙烯（ PE ）和聚丙烯（ PP ））体现了材料性能与可加工 性 之间平衡 的重要性 。例如，超高分子量聚乙烯（ UHMWPE ）纤维因其高结晶度和高系带分子，展现出卓越的强度和模量。然而，聚合物链高度缠结导致的极高熔体粘度和较差的流动性，阻碍其进一步发展。

图 2 . 聚烯烃商业化生产发展历程

通过 链拓扑结构设计 来 克服加工难题， 具有广阔的 前景 。 如 图 2 所示 ， 与线性链相比，具有短链支化（ short chain branching, SCB ）的聚合物，例如通过 α - 烯烃 共聚或链行走聚合得到的线性低密度聚乙烯（ LLDPE ），对熔体的流变性能影响较小，但展现出更高的柔韧性和抗冲击性。另一方面，具有长链支化（ long chain branching, LCB ）的聚合物在相同分子量水平下展现出更低的熔体粘度和更好的加工性。然而，较高的支化密度会在一定程度上降低结晶度和力学强度。通过支化控制来实现卓越的力学性能和加工性仍然是一个持续的追求目标。

另一种常见的策略是加入小分子添加剂，如成核剂、增塑剂、抗氧化剂和阻燃剂。尽管这些添加剂可以改善加工性和 其他 性能，但它们的化学复杂性带来了显著的环境挑战，包括毒性、迁移性以及由于与聚合物基体相容性差而导致的回收挑战 。 这些问题促使研究人员探索不依赖外部添加剂即可实现类似功能的替代方法。

** 创新解决方案 **

1. 双峰分子量分布（ Bimodal MWD ）

（ 1 ） 核心突破：通过调控高分子链的分子量分布，如 图 3 所示 ， 高分子量链段（ HMW ）主要贡献材料力学性能，低分子量链段（ LMW ）可作为 “ 内置加工助剂 ” 。除此之外，功能化的低分子量链段有潜力替代传统小分子添加剂（如成核剂、增塑剂等）。

（ 2 ） 优势：解决小分子添加剂相容性差、毒性迁移问题，实现材料加工与力学性能的双重优化。

图 3 . 双峰分子量分布对成核、结晶和力学性能的影响

2. 链拓扑结构设计 （ Chain topology design ）

（ 1 ） 支化链增容回收：如 图 4 所示 ， 长链支化聚合物（如 EPDM 橡胶原位接枝 PE 和 iPP ）可高效增容聚乙烯（ PE ） / 聚丙烯（ iPP ）共混物，推动混合塑料的机械回收。

图 4 . EPDM 橡胶原位接枝 PE 和 iPP 用于混合塑料增容回收

（ 2 ）不对称嵌段共聚物顺序共混： 二十多年来，科学界广泛认为对称性两嵌段共聚物在热力学平衡状态下具有最佳的增容效果。然而，如 图 5 所示 ， 在动力学过程中， 通过顺序共混策略，不对称 两 嵌段共聚物增容效果更佳。

图 5. 嵌段共聚物 在 PB/PI 界面分布机理图

（ 3 ） 多嵌段共聚物革新弹性体：如 图 6 所示 ， OBC （烯烃嵌段共聚物）与 COBC （环烯烃嵌段共聚物）通过物理交联网络替代传统硫化橡胶的化学交联，兼具弹性与热塑性加工优势，支持循环利用。 链穿梭聚合（ CSP ）作为工业级合成技术，可实现多嵌段共聚物的大规模生产，降低成本并拓展应用场景。

图 6 . 链穿梭聚合制备环烯烃嵌段共聚物（ COBC ）。

3. 聚合物链解缠 （ C hain untangling ）

（ 1 ） 聚合阶段解缠：如 图 7 所示 ， 优化聚合温度、压力与催化剂，在聚合过程中直接合成低缠结超高分子量聚乙烯（ UHMWPE ），突破加工瓶颈。

图 7 . 负载催化剂制备低缠结聚合物示意图

（ 2 ） 加工动态解缠：如 图 8 所示 ， 利用动态可逆键在加工过程中断裂，实现 polymer-oligomer 转换，降低熔体粘度；加工后可逆键恢复，重新回到高分子量链段，保留材料高强度。

图 8 . 可逆共价键构建动态链解缠示意图

** 未来展望与呼吁 **

（ 1 ）高分子材料应遵循 “ 机械回收优先 ” 策略，化学回收作为补充，且材料设计 应从高分子物理的基本原理出发，整合 “ 性能优先、加工友好、循环友好 ” 三大原则 —— 从链尺寸和拓扑结构设计到动态键工程，实现 真正 可持续高分子材料的 绿色理想 。

（ 2 ） 学术界与工业界协同：推动实验室成果 的 产业化转化，缩短回收路径。

（ 3 ） 政策与公众参与： 提倡 机械回收技术， 倡导垃圾分类， 减少 “ 一次性文化 ” 依赖，共建塑料循环经济。

这 篇 Viewpoint 不仅为破解塑料污染 问题 提供了科学框架，也为下一代高分子材料的可持续设计指明了新方向。通过解缠高分子链，我们有望解 开围绕 塑料污染的社会困局。

** 团队介绍 **

南方科技大学陈忠仁教授团队长期致力于高分子物理 指导的 聚烯烃材料研究，该 Viewpoint 以 “ Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling ” 为题发表在《 Accounts of Materials Research 》上。论文的通讯作者为 陈忠仁 教授，第一作者是南方科技大学硕士研究生 孙志强 。研究得到了国家重点研发计划（ 2021YFB3800702 ， 2021YFB3800705 ），国家自然科学基金面上项目（ 22075124 ），深圳市基础研究面上项目（ JCYJ20190809115013348, JCYJ20210324103811030 ）和广东省催化化学重点实验室（ 2020B121201002 ）的资助。

原文链接： Sun, Z.; Dong, Z.; Yu, F.; Feng, S.; Chen, Z.-R. Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling. Acc. Mater. Res. 2025 , ASAP .

https://doi.org/10.1021/accountsmr.5c00057

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