“白色塑料污染”問題已對全球性的可持續(xù)發(fā)展帶來重大挑戰(zhàn)。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署報告顯示：截止到2017年，全球廢塑料總量約為70億噸。預計到2040年，全球每年將有約7.1億噸塑料垃圾被遺棄。其中，廢聚烯烴 (主要包括聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP)) 占比超過廢塑料總量的50%，且其自然降解通常需要數(shù)百年時間。因而，開發(fā)新型的廢聚烯烴高效降解和回收利用技術(shù)，不僅能夠降低環(huán)境負荷，而且有望減少對化石資源的依賴。然而，由于聚烯烴C(sp3)–C(sp3)骨架穩(wěn)定、難溶于大部分溶劑和熔點較高的特性，其化學降解極其困難，因而聚烯烴的化學回收工藝通常需要相當苛刻的反應(yīng)條件（例如熱解和氣解的反應(yīng)溫度均超過300 °C, 圖1a-i）。目前，使用一些非均相或均相貴催化劑可在相對溫和的條件下降解聚烯烴（圖1a-ii），但是反應(yīng)溫度仍需高于聚烯烴的熔點，以便聚合物在無溶劑的情況下更好地與催化劑接觸，這也定義了該類反應(yīng)溫度的下限。此外，高粘度在熔融聚烯烴的反應(yīng)中是一個嚴重的技術(shù)問題。因此，在較溫和的條件下，以固態(tài)形式來降解聚烯烴是一種十分具有吸引力的替代方案，然而聚烯烴的高結(jié)晶度將阻礙C?C鍵與試劑（例如催化劑）有效接觸，給該方案的實現(xiàn)帶來另一個巨大挑戰(zhàn)。
受聚烯烴的風化現(xiàn)象啟發(fā)（圖1a-iii），日本東京大學的Kyoko Nozaki課題組近日采用含有少量羧基側(cè)鏈的聚烯烴（PE-COOH），通過在主鏈引入自由基“trigger”的方式，在溫和條件下實現(xiàn)了晶態(tài)聚烯烴的固態(tài)形式光降解 (圖1b, c)。值得注意的是，這種羧基化的PE易于合成，并且通常以EAA（乙烯-丙烯酸共聚物）形式出售。更為重要的是，由于結(jié)合了PE的結(jié)晶性和羧酸之間的氫鍵作用，相比于簡單PE，PE-COOH具有增強的粘附性、機械韌性和強度。作者發(fā)現(xiàn)，以鈰鹽和空氣中的氧氣分別作為光催化劑和氧化劑，在極性溶劑（乙腈或者水）中60-80 oC可將PE-COOH（-COOH含量4.8 mol%, 甲基支鏈1.4/1000 C，Mn = 8.3 kg/mol，D = 2.6）快速光降解為分子量接近蠟（Mn = 0.3-0.8 kg/mol）的片段，并且?guī)缀醵康鼗厥樟颂荚樱傊亓炕厥章蕿?8%），避免了傳統(tǒng)氧化降解中因過度氧化而造成大量碳原子損失的問題。接著，控制實驗表明，鈰鹽、藍光和空氣中的氧氣在促進降解方面起著至關(guān)重要的作用，并且反應(yīng)涉及自氧化機制。此外，克級規(guī)模反應(yīng)的實現(xiàn)（1.05 g PE-COOH, 反應(yīng)4天后Mn降至0.4 kg/mol，圖 2a）和可忽略不計的抗氧化劑影響（相對于起始PE-COOH重量的0.05%-1%的抗氧化劑BHT對反應(yīng)基本無影響）證明了該方法的實用性。需要指出的是，混合體系在反應(yīng)前后均呈現(xiàn)出非均相狀態(tài)，因為PE-COOH不溶于乙腈（或水），甚至不會溶脹，這表明該降解反應(yīng)發(fā)生在固態(tài)而不是溶脹狀態(tài)，允許反應(yīng)在較低溫度下進行，從而避免了熔融聚烯烴反應(yīng)中的高粘度技術(shù)問題。該方法對于具有較低-COOH含量的PE-COOH同樣有效，比如HDPE類PE-COOH（-COOH含量1.2 mol%，甲基支鏈1.8/1000 C，圖 2b）和一種支鏈更多的LDPE類PE-COOH（-COOH含量1.7 mol%，圖 2c）。相比之下，在缺少-COOH基團的簡單PE（HDPE）的反應(yīng)中，僅檢測到輕微的分子量下降（圖 2d），這些結(jié)果證明了-COOH基團在聚烯烴高效降解中的關(guān)鍵作用。 此外，該方法也適用于PE-COOH和鈰鹽的物理混合物在無溶劑條件下的降解（圖3）。將HDPE類PE-COOH（Mn = 8.3 kg/mol，D = 2.6）和CeCl3?7H2O通過球磨混合1 h，然后在80 oC無溶劑狀態(tài)下進行光降解。通過對產(chǎn)物的SEC分析，觀察到分子量的顯著下降（24 h后降至Mn = 1.0 kg/mol; 96 h后降至Mn = 0.3 kg/mol）。圖 3. (a) 通過球磨制備的PE-COOH和CeCl3?7H2O的混合物。(b) 未分散在溶劑中而以固體狀態(tài)進行的光降解。進一步的，該方法的實用性可通過HDPE類PE-COOH薄膜樣品（厚度 ~0.1 mm）的反應(yīng)得到證明。與粉末樣品相比，膜的表面積較小。因此在延長反應(yīng)時間至96 h后，可檢測到類似的分子量降低（Mn = 0.3 kg/mol，圖 4a）。值得注意的是，在鈰鹽存在下，聚合物薄膜在照射后變脆并且開裂，而在沒有鈰鹽的情況下，膜外觀幾乎保持不變（圖 4b）。進一步的SEM形貌分析表明，在缺少鈰鹽的情況下，膜表面幾乎沒有明顯變化，而在有鈰鹽的情況下，薄膜表面出現(xiàn)明顯的侵蝕和裂紋，并且觀察到了脆性斷裂特征的斷面。隨著反應(yīng)的進行，裂紋可以增加膜表面的滲透性，使得鈰催化劑和氧氣能夠到達薄膜的更深區(qū)域，從而促進反應(yīng)的進行。 圖 4. PE-COOH薄膜樣品的反應(yīng): (a) w/ Ce，96 h. (b) w/o Ce，48 h.最后，基于該反應(yīng)的非均相特性，作者通過DSC、WAXD/SAXS研究了反應(yīng)前后HDPE類PE-COOH薄膜的熔融行為與片晶形貌的變化，以揭示反應(yīng)對聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。不同薄膜樣品的DSC升溫曲線如圖5a所示，無論有無鈰鹽，結(jié)晶度 (cc, 以黑色繪制，圖5a，右) 在照射后均增加。同時，熔點 (Tm，以紅色繪制，圖5a，右) 在沒有鈰鹽的情況下發(fā)生下降，而在有鈰鹽的情況下升高。消除熱歷史后，作者分析了經(jīng)第二次升溫的DSC曲線（圖5b），發(fā)現(xiàn)在沒有鈰鹽時，反應(yīng)后樣品的cc和Tm值與原始樣品相同。反之，在有鈰鹽的情況下，cc和Tm均升高。 圖 5. (a) DSC曲線（第一次加熱掃描，左）以及 cc 和Tm 變化圖（右）。(b) DSC曲線（第二次加熱掃描，左）以及 cc 和Tm 變化圖（右）。 一方面，在沒有鈰鹽的情況下，cc的增加和Tm的降低歸因于熱退火過程，其中非晶區(qū)域中的鏈段僅通過加熱就可重新排列成更薄的新片晶（頂部，圖6）。另一方面，在有鈰鹽的情況下，cc和Tm的增加可以通過聚合物鏈的重整來解釋，即在損失部分-COOH基團后，聚合物鏈通過重排形成了更厚的片晶（底部，圖6），表現(xiàn)出反應(yīng)后cc和Tm均升高。 圖6. HDPE類PE-COOH片晶形貌的動態(tài)變化。綜上，東京大學Kyoko Nozaki教授課題組在溫和條件下實現(xiàn)了半結(jié)晶態(tài)PE類聚合物的固態(tài)形式光降解，并且?guī)缀醵康鼗厥仗荚?。此外，作者研究了HDPE類PE-COOH的降解過程以及反應(yīng)前后的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化，為聚烯烴的固態(tài)降解研究提供了新認識。進一步的，相比于起始聚合物，低分子量產(chǎn)物的粘度和熱穩(wěn)定性大大降低，預示其可能適用于更加高效的聚烯烴催化重整過程，從而制備高附加值的燃料，助力循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。
這一成果近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上，第一作者為盧斌博士，通訊作者為東京大學的Kyoko Nozaki教授和Kohei Takahashi博士。東京大學Naoko Yoshie教授、周健博士、Shintaro Nakagawa博士以及Yuta Yamamoto, Takuya Katashima博士為本文研究做出了重要貢獻。該研究工作得到了日本科學技術(shù)振興機構(gòu)ERATO項目的支持。
盧斌，江西贛州人，有機化學博士，東京大學特任研究員。2013年本科畢業(yè)于上海大學，獲工學學士學位（導師：萬文 教授 & 郝健 教授）。同年進入上海交通大學，在張兆國教授指導下研究釕催化的酮羰基化合物的不對稱氫化反應(yīng)，于2019年獲理學博士學位。隨后加入中國科學院上海有機所王曉明研究員課題組任博士后研究員，開展新穎雙核金屬絡(luò)合物的創(chuàng)制與催化反應(yīng)研究。自2022年起，在日本東京大學的Kyoko Nozaki教授課題組擔任ERATO項目特任研究員，致力于高分子材料的合成與降解研究。目前已發(fā)表SCI論文20篇，且近5年以第一作者（含共一）發(fā)表J. Am. Chem. Soc. (2 篇)、ACS Cent. Sci (1 篇)、Org. Lett. (1 篇)、J. Org. Chem. (1 篇)。
文獻詳情：
Mild Catalytic Degradation of Crystalline Polyethylene Units in a Solid State Assisted by Carboxylic Acid Groups. Bin Lu, Kohei Takahashi*, Jian Zhou, Shintaro Nakagawa, Yuta Yamamoto, Takuya Katashima, Naoko Yoshie, and Kyoko Nozaki*
在線客服
快速發(fā)布
我的店鋪
我的化學加
我的消息
我要充值
回到頂部
