大连理工大学刘野教授团队在聚乙烯/尼龙混合塑料升级回收领域取得新进展

导读

近日，大连理工大学化工学院精细化工全国重点实验室“小分子活化与仿生催化”教育部创新团队首次实现了羰基在聚酮链中的宏观均匀分布，让材料性能实现“按需订制”，成功实现聚乙烯与尼龙的高效兼容，为混合塑料回收开辟新路径。相关成果以“按需非交替共聚技术实现聚乙烯与尼龙的升级回收”（On-Demand Nonalternating Copolymerization Enables Upcycling of Mixed Polyethylene and Nylon Plastics）为题发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，并被选为封面文章（Front Cover）。该论文第一作者为大连理工大学化工学院博士生张文丽，通讯作者为大连理工大学精细化工全国重点实验室刘野教授。

在塑料家族中，有一类特殊材料叫"聚酮"—由乙烯和一氧化碳（CO）交替排列而成。它强度高、耐化学腐蚀，但有个致命缺点：加工温度高达252℃，几乎无法熔融成型，更遗憾的是，传统合成方法只能得到严格交替的链结构（―CH2-CH2-CO―），限制了材料设计的灵活性。

每年，全球产生超过3亿吨塑料垃圾，其中聚乙烯和尼龙因化学性质差异难以混合回收，最终沦为填埋场或海洋污染物。如何将这两种“水火不容”的塑料转化为高性能材料？该团队最新研究实现了羰基在聚酮链中的宏观均匀分布，让材料性能实现"按需订制"，制备了同时含有极性和非极性结构的高分子拉链，成功实现聚乙烯与尼龙的高效兼容，为混合塑料回收开辟新路径。

串联气体补偿策略

按照传统方法进行聚合，在塑料合成过程中，乙烯和CO这两种气体的消耗速度不同，就像两个人跑步一个快一个慢，导致最终产物的结构不均匀，性能不稳定。研究团队开发了一套“智能调气”技术，像精准调节油门一样控制气体比例。在反应开始时：乙烯和CO按9:1的比例通入，帮助材料形成特定骨架；而在反应过程中，实时调整为3:2，让两种气体消耗速度匹配。最终获得的聚酮材料结构均匀，彻底解决了传统方法产物“分层”的问题，并且能通过调整气体比例，自由控制材料中羰基的含量（0%~50%），实现材料性能的按需定制。

聚乙烯-交替聚酮双倾向构建准多嵌段结构

通过全面的结构分析发现，该新材料具有独特的"长短链交替"架构：短极性段（―(CH₂-CH₂)ₙ-CO―，n < 4）可以与尼龙形成氢键结合。长非极性段（≥4个乙烯）可以诱导聚酮与聚乙烯的共结晶。这种结构像"分子拉链"，同时完美匹配聚乙烯和尼龙的特性需求，使原本不相容的聚乙烯和尼龙在微观层面紧密结合；就像在原本互不相容的油和水界面，加入表面活性剂，使其完美结合。因此，复合材料抗冲击强度提升3倍，断裂伸长率从42.9%跃升至437%。

这项研究首次揭示了非极性聚乙烯与极性交替聚酮的相演化机制，通过“长程无序-短程有序”的链结构设计，打破了传统交替共聚的局限，证明非交替结构不是缺陷，而是性能调控的新维度，就像为聚乙烯和尼龙搭建了分子拉链桥梁，让它们在界面处“握手言和”。此外，该非交替共聚反应是均相聚合反应，没有淤浆聚合反应釜结垢的问题，金属催化剂更容易回收利用，反应最高的转化数可达~7 kg PK/g Pd，非常容易工业放大。该研究工作得到了国家自然科学基金集成项目，大连市科技创新基金应用基础研究和教育部智能材料化工前沿科学中心的支持。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09549

来源：大连理工大学化工学院