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Science：多嵌段聚合物粘合剂，促进塑料回收再利用
随着社会的发展和科技的进步，产业界愈加重视环境保护和绿色可持续发展。其中，由废旧高分子材料引发的“白色污染”问题，是人们一直以来关注的热点之一。一方面，寻求开发更为环保的可降解高分子材料，或者探索传统高分子材料的无污染降解方法；另一方面，致力于提高废旧高分子材料的回收利用率。聚乙烯（PE）和等规聚丙烯（isotactic polypropylene，i PP）是目前用量最大的塑料品种，约占世界塑料总量的2/3，年产量分别约为7000万吨和5000千万吨。虽然两者在化学组成和聚合物结构上非常相似，但是却彼此不混溶，这就使得回收PE和i PP制品时，必须经过分类处理后才能进行有效再利用。如果不分类而直接简单混溶，所得材料呈脆性，没有使用价值。而分类这两种性质接近的塑料成本较高，附加值较低（约5%），同时也增加了能耗，不符合绿色化学的发展要求。
近日，美国明尼苏达大学Frank S. Bates、康奈尔大学Anne M. LaPointe和Geoffrey W. Coates等人采用等选择性（isoselective）烯烃聚合催化剂——吡啶基氨基铪（pyridylamidohafnium catalyst）制备了PE/i PP多嵌段共聚物。该类多嵌段共聚物作为增容剂，能够将商业化的PE与i PP进行有效粘结，解决了PE/i PP混合产品机械性能差的问题。
图1. PE/i PP嵌段共聚物的合成。图片来源：Science
该嵌段聚合物具有交替的PE和i PP结构单元。当其与PE、i PP均聚物共混时，链段结构中的PE段、i PP段分别与纯PE组分和纯i PP组分融合，起到“粘合剂”的作用。研究团队通过调节乙烯和丙烯的单体量、反应时间等参数进行嵌段聚合物结构的可控调节，分别制备了不同嵌段长度的PE/i PP二嵌段共聚物和四嵌段共聚物。为了评价这些嵌段共聚物对PE和i PP的粘合作用，研究团队用熔融压模法制备了PE/i PP以及PE/嵌段聚合物/i PP叠层结构材料，随后进行剥离实验。结果表明，不含“粘合剂”的叠层结构材料很容易就被剥离，而添加“粘合剂”——PE/i PP二嵌段聚合物和四嵌段共聚物——均能明显提高叠层结构材料的剥离强度。对于二嵌段聚合物，大分子量的嵌段链段更容易进入PP/i PP微晶区，因此展现出更强的增容作用。而四嵌段共聚物的作用机制却不同，其分子结构决定了一半的i PP段和PE段分别与热力学不相容的聚合物相接触，这意味着熔融压合时的界面混合产生了缠结环，在层压体冷却时的结晶过程中，这些缠结环有效地将均聚物膜和嵌段共聚物膜“缝”在了一起（下图）。
不同嵌段聚合物增容（粘合）后商业化PE/i PP的撕裂强度。图片来源：Science
实验结果证明，未添加PE/i PP多嵌段聚合物作增容剂的PE/i PP混合物，机械性能较差，而添加5 wt%四嵌段共聚物PP60PE80PP75PE90，则能有效的改善混合物的相容性（相分离产生的聚合物颗粒粒径由2.2微米降低到0.55微米）。同时，添加嵌段共聚物后PE/i PP混合物的拉伸伸长率得到显著改善，展现出优异的机械性能（如下图）。
PE/i PP共混后的单轴拉伸伸长率测试。图片来源：Science
——总结——
聚合物之间的相容性问题给PE/i PP的回收循环利用带来了诸多问题。本文研究团队通过新型催化剂的开发和利用，制备了结构和分子量可控的乙烯和丙烯的多嵌段聚合物。该嵌段聚合物与PE/i PP分别存在较强的界面作用，实现良好的界面增容效果，有效的解决了PE/i PP混合后的脆性问题。该研究中的嵌段聚合物界面增容机理能够进一步扩展到其他相容性较差的聚合物体系，可用于高分子材料的高效回收利用或新型高性能复合材料的开发。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Combining polyethylene and polypropylene: Enhanced performance with PE/i PP multiblock polymers
Science, 2017, 355, 814-816, DOI: 10.1126/science.aah5744
（本文由甲子湖供稿）