【高分子】基于可逆酰胺化反应构筑可闭环回收交联聚合物材料- 大数跨境

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2022-12-23

导读：清华大学张希教授团队的徐江飞副研究员和秦博博士等发现，马来酸叔酰胺键是一种能够高效成键、可逆断键的动态共价键；基于马来酸酐和仲胺的可逆酰胺化反应，成功构筑了力学性质优异、可以完全解聚的交联聚合物，并可

交联聚合物因其永久的网络结构，往往展现出优异的力学性能和尺寸稳定性。然而交联结构也使得材料不易熔融或溶解，难以回收利用，造成了资源浪费和环境污染。针对这一问题，可以在交联聚合物中引入动态共价键，使材料能够通过键的动态交换实现重塑和回收利用。但是，这一过程往往需要高温、催化剂等条件，可能使材料在加工过程中发生不可逆的降解而性能下降。开发新的可逆共价化学反应，实现交联聚合物的闭环化学回收是解决该问题的一个新思路。

图1. 基于可逆酰胺化反应构筑可闭环回收交联聚合物材料示意图

最近，清华大学张希教授团队的徐江飞副研究员和秦博博士等发现，马来酸叔酰胺键是一种能够高效成键、可逆断键的动态共价键（图1）；基于马来酸酐和仲胺的可逆酰胺化反应，成功构筑了力学性质优异、可以完全解聚的交联聚合物，并可高效地回收单体，实现了交联聚合物材料的闭环化学回收。研究表明，马来酸酐和仲胺在室温下5分钟反应转化率即达95%以上；生成的马来酸叔酰胺键可在酸催化下发生断键，高效地转化为马来酸酐和质子化的仲胺。得益于此可逆酰胺化反应，他们通过设计双官能度马来酸酐单体和不同结构的多官能度仲胺单体，构筑了一系列性能可调的交联聚合物，包括强的弹性体（拉伸强度22.3 MPa）和硬质塑料（屈服强度38.3 MPa）。如图2所示，这类材料置于酸性水溶液中（1~2 M HCl），可在室温下1小时内发生完全的解聚；再通过简便的两相分离即可以高收率回收得到高纯度的单体（分离回收率> 94%）。回收得到的单体还可重新用于聚合制备交联聚合物，其化学结构和力学性能与原批次聚合物材料基本保持一致。值得注意的是，这类材料的解聚条件较为温和，并且不会使常见的通用高分子材料发生降解；因此可以在不进行塑料分类处理的条件下，直接从废弃塑料混合物中选择性地降解该材料并回收得到马来酸酐单体和仲胺单体。

图2.（a）交联聚合物材料闭环化学回收的展示图；（b）酸酐单体和（c）仲胺单体回收前后的核磁谱图；交联聚合物多次回收再聚合的（d）红外谱图和（e）拉伸曲线

总之，基于可逆酰胺化反应构筑的交联聚合物材料展现出优良的力学性能以及较温和条件下的闭环化学回收性质。这一反应为设计可循环再生的聚合物材料提供了新的工具，未来有望用于构筑多种类型的聚合物功能材料，有助于推动绿色可持续聚合物经济的发展。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Closed-loop chemical recycling of cross-linked polymeric materials based on reversible amidation chemistry

Bo Qin, Siyuan Liu, Zehuan Huang, Lingda Zeng, Jiang-Fei Xu & Xi Zhang

Nat. Commun., 2022, 13, 7595. DOI: 10.1038/s41467-022-35365-4

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