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中科院化学所张军、张金明团队 AFM：开关型水可回收纤维素基热塑材料

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-11-20 11:50

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高分子材料使人类的生活发生了革命性的改变，其低成本、轻便、性能多样和易加工等优势使人们能够按需制造出各种实用性制件。但是，使用后的高分子材料大部分采用填埋和丢弃等方式直接进入到环境中，带来了严重的“塑料污染 ” 问题，同时造成了资源浪费。因此，高分子材料的回收再利用受到了全世界的广泛关注。特别是，现实中热塑塑料通常与其他材料或其他类型热塑塑料混合使用，导致其回收利用难以实现。

近日， 中国科学院化学研究所张军、张金明团队 设计了一种开关水溶型热塑材料，不仅能满足日常使用需要，而且可以通过开关方式用水分离回收。该材料以天然高分子纤维素为主链，包含 2 种功能基团：内增塑基团（苯丙酸酯）和开关基团（偏苯酸酯），实现了热塑加工性能、疏水性和开关水溶性。其通过常规热塑加工方式可制得各种形式塑料制件、纤维、热封包装、透明水杯等，所得制件表现出优异水稳定性和力学性能。将该材料与铝箔、纸板等复合，制得可水回收的利乐包，不仅回收简便，而且阻氧和阻水性能优异。回收时，使用弱碱性水溶液触发该材料的水溶性，实现与其他组分的分离；在水溶液中加入少量酸，即可沉淀回收 CPp-TA ，回收率高达 100% 。这种新奇的开关水溶策略为塑料的回收再利用提供了新思路（图 1 ）。

图 1 开关型水溶热塑高分子的回收策略。

CPp-TA 表现出优异的热塑性能（图 2 ）。通过常见的热压过程，可以制得大尺寸的高透明塑料板材。由于疏水性的苯丙酸酯基团取代了亲水性的羟基基团，在中性和酸性条件下， CPp-TA 水接触角 >79 ° ，不溶于水。而且， CPp-TA 具有优异的水稳定性，即使在水中长时间浸泡其吸水率 <10% 。在碱性条件下，偏苯酸酯基团中的 COOH 基团转变为 COONa ， CPp-TA 亲水性增强。当足够数量的 COOH 基团转变为 COONa 时， CPp-TA 的水溶性被打开，其可以溶解在水中。触发 CPp-TA 水溶性需要一定条件：水溶液的 pH>8.5 ；苯丙酸酯基团取代度不高于 1.8 ；偏苯酸酯基团取代度不低于 0.75 。通过对 CPp-TA 化学结构的精准调控，可以改变材料的开关水溶性能。

图 2 开关型水溶热塑高分子的加工成型与性能。

基于 CPp-TA 开关水溶性能，可以将 CPp-TA 的纸塑复合材料、铝塑复合材料和塑料混合物进行快速且有效的分离（图 3 ）。将 CPp-TA 复合材料置于碱性水溶液中， CPp-TA 溶于水中，其他组分和污染物（如：油渍、砂砾等）悬浮水中或沉于水底。通过物理分离，即可将 CPp-TA 水溶液、其他组合和污染物分离。向 CPp-TA 水溶液加入酸，将 CPp-TA 沉淀，分离回收。以纸 / 铝 /CPp-TA 复合材料为例，将纸 / 铝 /CPp-TA 复合材料置于碱性水溶液中， CPp-TA 溶于水中，铝箔漂浮在水面，纸板由于吸水沉于水底。物理分离即可将 CPp-TA 水溶液、铝箔和纸板进行分离。向 CPp-TA 水溶液中加入少量酸，使 CPp-TA 沉淀，即可循环使用。因此， CPp-TA 利乐包材料不仅具有优异的阻隔性能，而且回收便利，具有回收经济性，为铝塑包装材料的回收提供了可持续的新策略。无纺布 /CPp-TA 复合材料同样可以实现快速水回收。将 CPp-TA 与石油基高分子材料混合，采用碱性水溶液选择性溶解，分离，得到 CPp-TA 和石油基高分子材料。回收的 CPp-TA 与 PE 通过热塑工艺可以制得塑料制件。高分子材料废弃物大多以混合物的形式存在，混合物中组成的不确定性为回收和循环使用带来了巨大困难。具有开关水溶解性的 CPp-TA 以热塑高分子材料的反溶剂“水”为回收溶剂，在使用期间水稳定，使用完后触发开关实现水溶回收，为高分子材料混合物回收提供了新方案。

图 3 复合材料和混合高分子的水分离。

该研究成果以“ Aqu-Thermoplastics: Recycling P lastics with Water ”为题发表于 Adv. Funct. Mater. 期刊，该论文的第一作者为中科院化学所 尹春春 助理研究员，通讯作者为中科院化学所 张金明 研究员。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417119

中科院化学所张军、张金明团队 AFM：开关型水可回收纤维素基热塑材料

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