科罗拉多州立大学开发可回收生物基类聚烯烃材料，为塑料可持续发展提供新方案
科罗拉多州立大学开发可回收生物基类聚烯烃材料，为塑料可持续发展提供新方案
聚烯烃是最重要的高分子材料之一，主要包括聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。凭借其卓越的力学性能、耐化学性、低成本及优异的加工适应性，聚烯烃被广泛应用于包装、汽车、建筑、电子等多个领域。然而，传统聚烯烃的生产主要依赖石油等化石资源，不仅在合成与加工过程中伴随大量碳排放，而且由于其高度的化学惰性，极难自然降解，造成严重的塑料污染问题。尽管近年来物理和化学回收技术取得了一定进展，但由于聚烯烃分子结构的稳定性，使其降解和回收仍面临巨大挑战。因此，在不牺牲材料优异性能的前提下，实现聚烯烃的可持续性与高效回收，已成为高分子材料研究领域亟待解决的关键问题。
在此背景下，类聚烯烃材料的开发为传统聚烯烃的可持续替代提供了新的研究方向。这类材料通过精确的分子设计，使其在结构上模拟聚烯烃，从而保持优异的力学性能和加工适应性，同时引入可调控的官能团或可降解结构单元，以赋予其更高的回收性、再加工性或生物降解能力。此外，通过合理的化学改性，这类材料可与现有回收技术兼容，实现使用寿命结束后的降解或闭环回收，从而有效减少塑料废弃物的环境累积，为高分子材料的可持续发展提供了重要解决方案。
近日，美国科罗拉多州立大学 Garret Miyake 教授团队联合美国国家可再生能源实验室，成功利用生物质为原料合成了一种性能可调控的可闭环回收的类聚烯烃材料（图1）。该研究采用生物基单体进行聚合，既降低了对化石资源的依赖，又有效减少了碳排放，契合绿色化学与可持续发展的理念。值得关注的是，该材料不仅具备可调节的热力学性能与机械性能，还可通过氢化过程高效回收至单体，实现真正意义上的循环利用。这一突破为未来塑料的可持续设计提供了全新路径，有望大幅提升塑料回收利用率，减少塑料污染对环境的危害。相关研究成果已发表在 Nature Chemistry 期刊上，论文的第一作者为 Xin Liu（刘鑫）博士，Zhitao Hu（胡志涛）博士为共同第一作者。
图1. 生物基可回收聚烯烃材料。图片来源：Nat. Chem.
具体来说，Miyake 课题组依托植物油和微藻油等可再生资源，成功合成了一系列线性和支化二醇单体，这些单体能够通过高效催化聚合，构筑出具备聚乙烯类特性的高分子材料。相较于传统的聚乙烯，这些新型类聚乙烯材料不仅来源可再生，而且具备优异的可回收性，可在使用后温和解聚回收至原始单体，极大地提升了塑料材料的可持续性，为构建塑料闭环循环经济提供了全新思路。
在聚合策略方面，本研究采用了无受体脱氢催化体系，实现了高效、可控的聚合过程。不同于传统依赖贵金属钌催化的聚合方法，该团队引入了一种高效、低成本的锰催化体系，不仅显著降低了催化剂成本，同时在温和条件下实现了高效聚合，为绿色催化技术在高分子合成中的应用提供了新机遇。尽管相较于贵金属催化体系，锰催化剂的用量略高，但其丰富的储量、低毒性和经济可行性使其成为可持续高分子合成的理想候选。本研究的成功表明，廉价金属催化剂在聚合领域具有广阔的应用前景，为未来开发更高效、更环保的催化聚合策略奠定了基础。
此外，本研究通过精准调控线性与支化单体的比例，成功实现了对材料机械性能、延展性、结晶度及加工适应性的精细调节。所得材料不仅具备优异的力学强度和韧性，而且兼具良好的注塑成型能力，确保其可大规模工业化生产。更重要的是，这些类聚乙烯材料表现出比传统聚乙烯更强的金属附着性，赋予其在高性能黏合剂、工程塑料等领域的广泛应用潜力（图2）。这一突破性的设计不仅提高了材料的适用性，同时也拓展了聚乙烯类材料在高端应用场景中的价值。
图2. 聚合物性能测试。图片来源：Nat. Chem.
值得注意的是，该团队所制备的所有聚乙烯类材料均可利用相同的催化体系进行氢化回收，展现出极强的可回收性和循环利用潜力（图3）。在温和的氢解条件（低于 200 °C）下，这些材料能够高效降解回收至原始单体，并且在多次回收-再聚合循环中保持超过 95% 的高回收率，确保材料性能的长期稳定性。更令人瞩目的是，即便在复杂的混合塑料废弃物体系（如食品包装废弃物、染色塑料、添加剂改性塑料等）中，该材料依然能够精准选择性解聚回收，并通过高效分离技术提取高纯度单体，克服了传统化学回收方法对塑料分类要求高、回收工艺复杂的难题。这一特性使其在工业塑料回收体系中展现出极高的实用性和应用前景。
图3. 闭环回收以及注塑加工。图片来源：Nat. Chem.
此外，该团队进一步验证了这些材料在注塑成型加工中的稳定性。实验结果表明：即使经历多次回收利用，材料仍能保持优异的流动性和机械性能，适用于常规塑料加工工艺。此外，即便在材料中添加染料、增塑剂等改性剂，其回收效率和单体纯度依然不受影响，确保了材料的可重复利用性。这一发现为工业规模化生产和循环经济模式提供了强有力的技术支撑，使可回收塑料的实际应用更进一步。
总结
本研究突破了传统聚乙烯材料的回收瓶颈。相较于传统聚乙烯只能依赖低效、高能耗的热裂解或焚烧进行处理，本研究开发的新型类聚乙烯材料能够真正实现化学回收，在温和条件下高效解聚回收至原始单体，大幅提升塑料的可循环性，为塑料废弃物管理提供了一种全新解决方案。更重要的是，本研究基于可再生生物质基原料与非贵金属催化剂，不仅降低了塑料生产和回收过程中的能源消耗和环境负担，还展现了可持续材料设计的巨大潜力。这些新型类聚乙烯材料兼具高强度、高韧性、可回收性，并且通过精确调控单体结构，可灵活调节机械性能，满足不同应用需求。在工程塑料、黏合剂、3D 打印材料等多个高价值领域，这一材料体系展现出广阔的应用前景，有望成为推动塑料产业向可持续发展转型的重要助力。
尽管本研究已在可回收类聚乙烯材料的发展方向上取得了重要进展，但仍有许多值得进一步探索的空间。例如优化非贵金属催化体系，提升催化效率，同时探索更高性能、更具可降解性的生物基单体，以进一步增强材料的可循环性和环境友好性。