2025年9月24日，中国科学院长春应用化学研究所陶友华研究员团队在《Science Advances》上发表了题为 “Interfacial chain-growth polymerization enables polypropylene-like and circular polythioglycolide” 的研究论文。论文第一作者为王彦超副研究员，通讯作者为陶友华研究员。

          塑料作为人类社会最重要的材料之一，在包装、医疗、交通、电子等各个领域发挥着不可替代的作用。然而，塑料带来的环境问题也日益严峻。等规聚丙烯（iPP）是全球年产量最高的聚烯烃（约 2 亿吨），以高熔点、高结晶度和优异的力学性能著称。但 iPP 的化学惰性使其难以降解，目前回收率不足 10%，绝大部分废弃物被填埋或焚烧，造成资源浪费和环境负担。因此，开发兼具 iPP 级性能与闭环化学回收特性的替代材料，是材料科学的前沿挑战之一。科研界长期在此方向进行探索。现有材料虽有亮点，但难以替代 iPP：聚乙醇酸（PGA）熔点高，却极脆难加工；聚-3-羟基丁酸酯（P3HB）虽具备 iPP 类似的熔点，但同样存在脆性大、加工性差的缺陷。真正能兼顾“高性能 + 闭环循环”的塑料材料，仍是全球瞩目的科学难题。

         为突破这一瓶颈，陶友华团队近年来提出“氧到硫取代”的单体设计策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 22547-22553；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (19), 10798-10805；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302898；J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 1877-1885），通过在分子水平精确调控电子效应与构象，实现了聚合动力学的加速、聚合/解聚热力学的可逆性增强，以及成环/开环平衡的精准控制，从而将难回收的交酯单体转化为可闭环循环的聚硫酯。这一策略为高性能循环塑料提供了新的化学路径。然而，内硫酯开环聚合中普遍存在的硫酯交换副反应，严重限制了分子量与结构可控性，合成类 iPP 的高分子聚硫酯仍是悬而未决的难题。

图1 界面链增长开环聚合合成高分子量聚硫代乙醇酸

             本研究中，陶友华团队创新性提出“界面链增长聚合（Interfacial chain-growth polymerization）”策略，成功合成了高分子量高达 27 万的聚硫代乙醇酸（PTGA）（图1）。与传统溶液聚合不同，该方法充分利用了 PTGA 的半结晶特性：随着聚合反应的进行，生成的聚合物链在达到一定长度后自发结晶并从溶液中析出；结晶链段在固/液界面上仍保持活性链端，溶液中的新单体则不断扩散至界面并被引入链端，实现链的持续增长。由于聚合物链被“固定”在晶体中而与界面处的活性链端隔离，显著抑制了硫酯交换等副反应，使链端活性得以长期保持，从而实现了高效、可控的聚合，最终获得超高分子量产物。长期以来，硫酯交换副反应一直是制约高分子聚硫酯合成的关键瓶颈。界面链增长通过“空间隔离效应”绕开了这一困境，为聚硫酯的可控合成提供了全新的思路。这不仅是一次技术突破，更代表着合成理念上的重要革新：它表明聚合过程并不局限于均相溶液，固/液界面同样能够成为精准链式聚合的反应平台。进一步地，这一策略有望推广至其他难以控制的聚合体系，如硫代内酯、内酰胺甚至碳酸酯类单体，从而为新一代高性能闭环循环材料的设计与开发开辟新的方向。

图2 高分子量聚硫代乙醇酸的公斤级合成及加工和阻隔性能测试

         性能测试显示，高分子量 PTGA 的熔点高达 157 °C，结晶度达 63%，断裂伸长率高达 465%，屈服强度 36 MPa，整体性能媲美甚至超越 iPP。同时，PTGA 的气体阻隔性能尤为突出，其氧气透过率仅为 PET 的 1/40、iPP 的 1/400、LDPE 的 1/1000，水蒸气阻隔性能与石油基的iPP和LDPE相当，这些特性使 PTGA 在高阻隔食品包装、医药包装及功能性膜材料中展现出广阔的应用潜力（图2）。值得强调的是，与目前依赖复杂设计的可回收单体不同，PTGA 所对应的乙交硫酯单体结构十分简单，可直接来源于商业化大规模生产且价格低廉的巯基乙酸。这一特性不仅降低了原料成本，更显示了该材料具备工业化生产和大规模应用的现实潜力。更重要的是，PTGA 兼具优异的加工适应性，可直接应用于熔融挤出、熔融纺丝及 3D 打印等常见工业工艺，显著降低了产业化转化门槛，为高性能、可循环利用的绿色材料推广提供了切实可行的方案。

         在回收利用方面，PTGA 体现出罕见的“闭环化学循环”特性：在温和条件下无需催化剂即可高效解聚为原始单体 TGA，单体回收率超过 95%，并可再次聚合为性能一致的新材料（图3）。该循环过程能耗低、效率高，为构建真正意义上的可持续循环塑料体系提供了现实可行的路径。

图3 高分子量聚硫代乙醇酸的化学回收

         该研究首次证明，通过界面链增长策略能够在单一体系内同时实现高性能与闭环可回收性，打破了长期存在的“性能与可回收性不可兼得”的悖论。此成果不仅为可持续高分子材料的设计提供了全新范式，也为未来塑料产业的绿色转型和“碳中和”目标的实现贡献了重要科学力量。

          本工作得到了 国家杰出青年科学基金 以及 博士后创新人才支持计划 的资助。作者特别感谢中国科学院长春应用化学研究所 门永锋研究员 与 陈全研究员 在聚合物流变学、结晶行为及分子量表征方面所提供的宝贵帮助；感谢上海新材料研究院 王海研究员 在聚合物二维广角 X 射线散射（2D-WAXD）测试中的支持；同时感谢美国科罗拉多州立大学 Eugene Y.-X. Chen 教授 对稿件的细致修订，以及在结果分析与讨论过程中提出的富有洞察力的建议