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*原文刊载于世界经济论坛博客,转载请注明来源并附上原文链接

“可回收型热固性塑料”是世界经济论坛《2015年十大新兴技术》报告所列出的十大创新之一。

塑料的种类五花八门,但过去,仅有热塑性塑料等少数几种塑料可以回收。热固性聚合物,这种在生产电缆护套、玩具、特百惠制品和电子线路板等各类产品中广泛使用的主要塑料品种,一旦使用寿命耗尽,最终也只能送往填埋场填埋。

好在,目前看来,IBM艾曼登研究中心(Almaden Research Center)的一项突破性发现有望使这种塑料也能得到普遍回收。究竟出现了什么转机?为什么这一发现那么重要?为此,我们专门采访了加州理工学院材料学和力学教授茱莉亚•R•格里尔(Julia R. Greer)。现将采访内容整理如下:

过去为什么无法回收热固性聚合物?

热固性聚合物交联程度高,即粒子之间有着极为牢固的化学键。一旦对之加热,使其生成所要的形状(“热固”之名由此而来),这些聚合物就会不可逆转地连为一体。这意味着,虽然热固性塑料的强度要比热塑性塑料高得多,但这也导致它无法像热塑性塑料一样,可通过二次加热来打破化学键,重新成型。相反,二次加热只会将热固性塑料烧得焦黑、出现断裂。

IBM研究人员认识到,他们可以放弃加热的方式,改用强酸溶解,制造出一种可二次分解的热固性聚合物,使其再次成型。在这过程当中,研究人员利用了1928年发现的名为“狄尔斯•阿尔德反应”(Diels-Alder Reaction)的一种化学机理。这其中的突破性在于,这一反应很适合热固性聚合物,可将单体从聚合物中解绑出来,然后再用单体生成新形状,以作它用。

既然这一化学反应成名已久,为什么之前从未有人想到过加以利用呢?

有时,需要从崭新的思维角度将不同学科结合起来,方能实现这样一种突破。虽然人们用了几十年的狄尔斯•阿尔德反应,用了几十年的热固性聚合物,但这些领域的专有知识大都分别掌握在不同的科学家群体手中,这些科学家思维方式又各不相同。简言之,之前从未有人考虑过把它们结合起来使用。

此外,以我个人经验来看,要想在化学中找到可逆的反应真的十分困难,必须找到合适的催化剂和合适的条件,还得符合热力学要求等等,限制很多,这一点我们不应低估。这次的发现之所以引入注目,是因为它既简单又巧妙,但其原理也是事后来看才会显得那么地浅显可见。

这一发现去年才刚刚对外公布。下一步的任务是什么?

这当中并不涉及过于艰深的化学机理,我们已有一些大型设施和设备可以胜任这一工作,而且除了某些聚合物外,狄尔斯•阿尔德反应本身没有任何专利方面的限制。有鉴于此,我们可以认为,从实验室层面的可行性示范到大规模商用,应该会是个比较顺利的过程。我认为,今年将会有较快进展。

然而,我们要做的是,须对这些回收后的聚合物的属性进行多个寿命周期的检验。这一过程不完全都是质量上的减损,也有可能是品质上的下滑。热固性聚合物能否开展一些应用,要看是否存在缺陷、存在哪些类型的缺陷、以及硬度和强度等力学属性如何,要确保其结构的完整性才行。我们必须确保,在多次回收利用后,热固性聚合物的特性仍然能完好如初。由于这一工艺刚问世不久,我们尚不清楚在经历若干个使用周期后,它们是否会逐步出现变得越来越脆等问题。

倘若检验一切顺利,这种可回收性能否为热固性聚合物带来新的应用方式?

不好说,因为热固性聚合物几乎已经无处不在,从绝缘物品、皮管到储物盒、胶体等各种物品,从微电子到自动化和航空等各个行业,已到处可见热固性聚合物的身影。

长远来看,倒是有一个很有意思、潜力很大的消费级应用,即可回收型热固性聚合物或能进一步拓展3D打印的潜能。试想一下,有一天,我们也许能开发出可回收的房屋:用热固性聚合物打印出一片建材后,才发现设计上有问题,那么就可以加以回收,然后再重新进行打印,而不是丢弃已打出来的材料。不过,这种技术应该能带来大量的环保效益,我们现在能想到的只是其中一小部分。

这会给环境保护带来什么样的影响?

首先,我们的填埋量会大幅减少。热固性聚合物的填埋尤为麻烦,因为它们高度耐光、耐热、耐潮,不受其它化学物质和环境因素的影响,这些在其使用周期中我们尤为看重的特性,也使得它们的降解需要数百年才能完成,而且会占用大量空间。

碳排放也有望大幅下降,因为目前从原材料中合成新型热固性聚合物的工厂有望进行一定调整,来回收这些聚合物,当然,在此方面,我们还得检测回收过程所形成的副产物可能带来的环境影响。与初次合成相比,回收对环境的危害显然会少得多,但鉴于这一发现刚问世不久,其各方面影响还有待进一步探究。

当前,全球生产的所有聚合物之中,有三分之一属于热固型。由此可见,在减少浪费和环境危害上,我们将大有作为。


作者:茱莉亚格里尔(Julia Greer是加州理工学院材料学和力学教授

 
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