隨著社會的發(fā)展和科技的進步，產(chǎn)業(yè)界愈加重視環(huán)境保護和綠色可持續(xù)發(fā)展。其中，由廢舊高分子材料引發(fā)的“白色污染”問題，是人們一直以來關(guān)注的熱點之一。一方面，尋求開發(fā)更為環(huán)保的可降解高分子材料，或者探索傳統(tǒng)高分子材料的無污染降解方法;另一方面，致力于提高廢舊高分子材料的回收利用率。聚乙烯(PE)和等規(guī)聚丙烯(isotactic polypropylene，iPP)是目前用量最大的塑料品種，約占世界塑料總量的2/3，年產(chǎn)量分別約為7000萬噸和5000千萬噸。雖然兩者在化學(xué)組成和聚合物結(jié)構(gòu)上非常相似，但是卻彼此不混溶，這就使得回收PE和iPP制品時，必須經(jīng)過分類處理后才能進行有效再利用。如果不分類而直接簡單混溶，所得材料呈脆性，沒有使用價值。而分類這兩種性質(zhì)接近的塑料成本較高，附加值較低(約5%)，同時也增加了能耗，不符合綠色化學(xué)的發(fā)展要求。

　　近日，美國明尼蘇達大學(xué)Frank S. Bates、康奈爾大學(xué)Anne M. LaPointe和Geoffrey W. Coates等人采用等選擇性(isoselective)烯烴聚合催化劑——吡啶基氨基鉿(pyridylamidohafnium catalyst)制備了PE/iPP多嵌段共聚物。該類多嵌段共聚物作為增容劑，能夠?qū)⑸虡I(yè)化的PE與iPP進行有效粘結(jié)，解決了PE/iPP混合產(chǎn)品機械性能差的問題。

　　圖1. PE/iPP嵌段共聚物的合成。圖片來源：Science

　　該嵌段聚合物具有交替的PE和iPP結(jié)構(gòu)單元。當(dāng)其與PE、iPP均聚物共混時，鏈段結(jié)構(gòu)中的PE段、iPP段分別與純PE組分和純iPP組分融合，起到“粘合劑”的作用。研究團隊通過調(diào)節(jié)乙烯和丙烯的單體量、反應(yīng)時間等參數(shù)進行嵌段聚合物結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)，分別制備了不同嵌段長度的PE/iPP二嵌段共聚物和四嵌段共聚物。為了評價這些嵌段共聚物對PE和iPP的粘合作用，研究團隊用熔融壓模法制備了PE/iPP以及PE/嵌段聚合物/iPP疊層結(jié)構(gòu)材料，隨后進行剝離實驗。結(jié)果表明，不含“粘合劑”的疊層結(jié)構(gòu)材料很容易就被剝離，而添加“粘合劑”——PE/iPP二嵌段聚合物和四嵌段共聚物——均能明顯提高疊層結(jié)構(gòu)材料的剝離強度。對于二嵌段聚合物，大分子量的嵌段鏈段更容易進入PP/iPP微晶區(qū)，因此展現(xiàn)出更強的增容作用。而四嵌段共聚物的作用機制卻不同，其分子結(jié)構(gòu)決定了一半的iPP段和PE段分別與熱力學(xué)不相容的聚合物相接觸，這意味著熔融壓合時的界面混合產(chǎn)生了纏結(jié)環(huán)，在層壓體冷卻時的結(jié)晶過程中，這些纏結(jié)環(huán)有效地將均聚物膜和嵌段共聚物膜“縫”在了一起(下圖)。

　　不同嵌段聚合物增容(粘合)后商業(yè)化PE/iPP的撕裂強度。圖片來源：Science

　　實驗結(jié)果證明，未添加PE/iPP多嵌段聚合物作增容劑的PE/iPP混合物，機械性能較差，而添加5 wt%四嵌段共聚物PP60PE80PP75PE90，則能有效的改善混合物的相容性(相分離產(chǎn)生的聚合物顆粒粒徑由2.2微米降低到0.55微米)。同時，添加嵌段共聚物后PE/iPP混合物的拉伸伸長率得到顯著改善，展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能(如下圖)。

　　PE/iPP共混后的單軸拉伸伸長率測試。圖片來源：Science

總結(jié)

　　聚合物之間的相容性問題給PE/iPP的回收循環(huán)利用帶來了諸多問題。本文研究團隊通過新型催化劑的開發(fā)和利用，制備了結(jié)構(gòu)和分子量可控的乙烯和丙烯的多嵌段聚合物。該嵌段聚合物與PE/iPP分別存在較強的界面作用，實現(xiàn)良好的界面增容效果，有效的解決了PE/iPP混合后的脆性問題。該研究中的嵌段聚合物界面增容機理能夠進一步擴展到其他相容性較差的聚合物體系，可用于高分子材料的高效回收利用或新型高性能復(fù)合材料的開發(fā)。