热固性聚合物应用于汽车零部件和电器产品中，必须具备耐用性和耐热性，但通常在使用后难以回收或分解。
麻省理工学院的化学家现已开发出一种改性热固性塑料的方法，使其在不影响机械强度的前提下更容易被分解。
热固性材料包括环氧树脂、聚氨酯以及用于轮胎的橡胶，广泛应用于许多需要耐用性和耐热性的产品中，例如汽车或电器产品。这类材料的一个缺点是，它们通常在使用后难以回收或分解，因为将其分子结合在一起的化学键比热塑性塑料等其他材料中的化学键更为牢固。
麻省理工学院的化学家现已开发出一种方法，通过化学连接剂对热固性塑料进行改性，使这些材料更容易分解，同时又能保持使其极具实用价值的机械强度。
在一项研究中，该研究今日发表于《自然》杂志。研究人员证明，他们能够制备一种名为pDCPD的热固性塑料的可降解版本，将其分解成粉末，并利用该粉末制造更多的pDCPD。他们还提出了一个理论模型，表明其方法可能适用于多种塑料和其他聚合物，例如橡胶。
“这项工作揭示了一项基本设计原理，我们认为该原理适用于任何具有这种基本结构的热固性材料，”麻省理工学院化学教授、该研究的通讯作者杰里米·约翰逊（Jeremiah Johnson）表示。
Peyton Shieh是麻省理工学院美国癌症协会博士后研究员，也是该论文的第一作者。
难以回收
热固性塑料与热塑性塑料是塑料的两大主要类别。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯，用于制作塑料袋以及食品包装等一次性塑料制品。这些材料的生产过程是将小颗粒塑料加热至熔化，然后将其模塑成所需形状，待其冷却后重新固化。
热塑性塑料约占全球塑料产量的75%，可通过再次加热使其液化，然后重新模塑成新的形状，从而实现回收。
热固性塑料的制造过程与此相似，但一旦从液态冷却成固态，就很难使其重新变为液态。这是因为聚合物分子之间形成的键是被称为共价键的强化学结合，极难断开。约翰逊表示，加热时，热固性塑料通常会在重新模塑之前就已燃烧。
“一旦它们被定型为某种形状，就会伴随其整个使用寿命保持该形状，”他说，“通常没有简便的回收方法。”
麻省理工学院团队希望开发一种方法，既能保留热固性塑料的优良特性（即强度和耐用性），又能使其在使用后更容易分解。
在去年发表的一篇论文中，约翰逊团队以Shieh为第一作者，报道了一种制备可降解聚合物的方法，用于药物递送。该方法通过引入一种含有硅基醚基团的结构单元（即单体）实现。该单体随机分布于材料中，当材料暴露于酸、碱或氟离子等离子时，硅基醚键便会断裂。
用于合成这些聚合物的同类化学反应，也被用于制造某些热固性塑料，包括聚二环戊二烯（pDCPD），该材料用于卡车和巴士的车身面板。
研究人员采用其2019年论文中的相同策略，将硅基醚单体加入形成pDCPD的液态前驱体中。他们发现，当硅基醚单体占材料总量的7.5%至10%时，pDCPD既能保持机械强度，又能在接触氟离子后分解成可溶性粉末。
“这是我们最早的重要发现，”约翰逊表示，“我们能够使pDCPD具备可降解性，同时不损害其有用的机械性能。”
新材料
在研究的第二阶段，研究人员尝试利用所得粉末重新制备新的pDCPD材料。他们将粉末溶解于用于制造pDCPD的前驱体溶液中，随后成功地利用回收粉末制得了新的pDCPD热固性材料。
“与原始材料相比，这种新材料的机械性能几乎没有差别，某些方面甚至有所提升，”约翰逊表示，“证明可以利用降解产物，通过相同工艺重新制成同样的热固性材料，这一点令人振奋。”
研究人员认为，这一通用方法也可应用于其他类型的热固性化学体系。在本研究中，他们表明，使用可降解单体构成聚合物的各条分子链，比使用可降解键将分子链“交联”在一起的效果要好得多，而后一种方法此前已有人尝试过。他们认为，这种可断裂链段的方法可用于制备许多其他类型的可降解材料。
“这是热固性塑料工程领域的一项令人振奋的进展，”伊利诺伊大学化学教授杰弗里·摩尔（Jeffrey Moore）表示，他未参与本研究。“化学家们大部分精力都放在学习合成性能更优的塑料上，而针对聚合物解构科学的化学研究投入则少得多。约翰逊的工作有助于填补这一重要的基础知识空白，同时带来具有技术意义的进展。”
约翰逊表示，如果能为其他类型的聚合反应找到合适的可降解单体，这一方法便可用于制备丙烯酸类、环氧树脂类、有机硅类或硫化橡胶等其他热固性材料的可降解版本。
研究人员目前希望成立一家公司，以授权并推动该技术的商业化。
Patrick Casey是SP Insight的新产品顾问，同时也是麻省理工学院德什潘德技术创新中心的导师。他一直与约翰逊和Shieh合作评估该技术，包括开展初步经济建模和二级市场调研。
“我们已与一些行业领先企业讨论过这项技术，他们告诉我们，它有望惠及整个价值链上的所有利益相关方，”Casey表示，“零部件制造商可获得持续的低成本再生材料；汽车企业等设备制造商能够实现其可持续发展目标；回收商则可从热固性塑料中获得新的收入来源。消费者可节省开支，而我们所有人都能获得更清洁的环境。”
该研究由美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院资助。
