目前，可以說(shuō)人類生活在一個(gè)由合成聚合物制成的材料世界中，合成材料已成為現(xiàn)代生活和全球經(jīng)濟(jì)不可或缺的組成部分。
它們的年產(chǎn)量正在逐年增加，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到11.2億噸。但是，目前合成聚合物的生產(chǎn)和處置遵循的是一種不可持續(xù)的線性經(jīng)濟(jì)模式，包括“化石原料，獲取，制造，使用，處置”，單向線性框架（如圖1）。
這種線性經(jīng)濟(jì)模型無(wú)法解決消費(fèi)后聚合物廢物的報(bào)廢問(wèn)題，不僅迅速耗盡了有限的自然資源，而且遭受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并在全球范圍內(nèi)加劇了塑料污染惡化的后果。
出于各種原因，目前回收聚合物特別是塑料（在所有類型的聚合物中產(chǎn)量最高）的回收實(shí)踐在很大程度上是無(wú)效的，僅有5％的材料被回收和用于后續(xù)使用。
可怕的后果帶來(lái)的是雙重的打擊：
- 一次性使用后，每年約有95％的塑料材料（價(jià)值1000億美元）在經(jīng)濟(jì)中損失，
- 每年都會(huì)有將近5000萬(wàn)噸的塑料廢棄物被丟棄到垃圾填埋場(chǎng)和海洋中。如果不做任何改變，到2050年，海洋中的塑料重量將超過(guò)魚類的重量。這一后果人類可以承受嗎？答案是顯而易見(jiàn)的，人類將無(wú)法承受。
如何才能有效解決塑料污染一直以來(lái)都是各國(guó)，各領(lǐng)域科學(xué)家們的主要研究?jī)?nèi)容。
中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所有機(jī)金屬化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的洪繆研究員和科羅拉多州立大學(xué)Eugene Chen 教授一直致力于綠色可持續(xù)性發(fā)展的高分子材料方面的研究，經(jīng)過(guò)多年的研究，發(fā)現(xiàn)解決塑料污染最有效的方式就是打破塑料污染不可持續(xù)的線性經(jīng)濟(jì)模式，開發(fā)具有閉環(huán)生命周期的可持續(xù)聚合物。
他們將這類型“可持續(xù)聚合物”重新定義為“源自可再生原料的材料，其原料不但在生產(chǎn)和使用過(guò)程中均是安全無(wú)污染的，并且其生產(chǎn)的制品可以以對(duì)環(huán)境無(wú)害的方式進(jìn)行回收或處理”如圖1所示。在本篇報(bào)道中，他們重點(diǎn)介紹了可持續(xù)聚合物的最新研究進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了發(fā)展可持續(xù)發(fā)展聚合物過(guò)程中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。該篇論文以題為“Future Directions for Sustainable Polymers”發(fā)表在《Trends in chemistry》上(見(jiàn)文后原文鏈接)。
在傳統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展聚合物中，以植物生物質(zhì)和可降解的塑料為主。植物生物質(zhì)可通過(guò)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元單體提供豐富的可再生資源，并且本質(zhì)上具有負(fù)碳足跡的特點(diǎn)。目前主要的以植物生物質(zhì)為基礎(chǔ)的聚合物有聚乳酸和其他可再生聚酯或聚內(nèi)酯，生物衍生聚(對(duì)苯二甲酸乙酯)，糖基聚(呋喃甲酸乙酯)，和可再生聚碳酸酯等。由于有大量的合成技術(shù)可供化學(xué)家使用，幾乎任何單體都可以從可再生原料中制備出來(lái)。但是，在這些轉(zhuǎn)化過(guò)程中也伴隨這樣一個(gè)問(wèn)題：在天然資源經(jīng)過(guò)多少步轉(zhuǎn)化之后可以用來(lái)制造可持續(xù)的單體或聚合物？盡管對(duì)這類過(guò)程進(jìn)行完整的生命周期評(píng)估雖然有用，但往往不切實(shí)際。但至少應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：
- （i）最少的轉(zhuǎn)換步驟；
- （ii）使每個(gè)步驟的轉(zhuǎn)化率和原子效率最大化；
- （iii）盡可能使用催化反應(yīng)和“綠色”條件。
可降解的聚合物由于其可降解為對(duì)環(huán)境無(wú)害的物種并最終熱力學(xué)沉沉降，這使得其具有建立環(huán)境友好的封閉環(huán)形生態(tài)系統(tǒng)的潛力。目前其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，尤其是在短期產(chǎn)品中，例如用作生物醫(yī)學(xué)和包裝材料的聚乙交酯，聚碳酸三亞甲基酯和聚羥基鏈烷酸酯。但是，盡管可降解聚合物在受控的實(shí)驗(yàn)室條件下或微生物環(huán)境中可有效降解，但它們通常在大規(guī)模或自然環(huán)境（如垃圾填埋場(chǎng)或海洋）中的降解卻不很理想，這一類材料也將會(huì)造成一些無(wú)法預(yù)料的環(huán)境污染問(wèn)題。然而，由外部刺激有選擇性地觸發(fā)的可降解的聚合物對(duì)于廢物管理還是很有價(jià)值的，特別是克服了上述挑戰(zhàn)之后。
盡管，生物質(zhì)或者可降解聚合物具有可回收利用和減輕環(huán)境污染方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是為了滿足具有閉環(huán)生命周期的可持續(xù)性發(fā)展系統(tǒng)，資源的再生率需要等于或大于資源利用率。在這一方面，新興的可化學(xué)循環(huán)利用的聚合物由于可以保存有限的自然資源，為聚合物廢棄物的壽命終止問(wèn)題提供可行的解決方案以及具有建立循環(huán)材料經(jīng)濟(jì)的潛力而受到越來(lái)越多的關(guān)注?？苫瘜W(xué)回收的聚合物可以通過(guò)化學(xué)方式高選擇性，高收率和高純度地完全解聚為單體，并且可以將單體直接再聚合為純凈質(zhì)量的聚合物。從原理上講，該過(guò)程可以無(wú)限次重復(fù)。這種可化學(xué)回收聚合物具有顯著的實(shí)際應(yīng)用潛力，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)材料經(jīng)濟(jì)并從源頭上防止資源的浪費(fèi)。但是，為了充分發(fā)揮這一類可化學(xué)回收聚合物的優(yōu)勢(shì)必須解決眼前的三個(gè)重要挑戰(zhàn)：1.能源成本；2. 解聚物的選擇性；3. 可降解/性能之間的平衡。理想的可降解聚合物不僅必須具有良好的熱性能和機(jī)械穩(wěn)定性能以使其在實(shí)際生活中得以應(yīng)用，而且還必須在高成本效益的生產(chǎn)和降解條件下，以可控的高化學(xué)選擇性高效率的回收純凈的單體。
再生聚合物領(lǐng)域作為另一類創(chuàng)新，經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)的聚合物制備方法，通過(guò)利用大量可用的商品聚合物作為廉價(jià)的原料來(lái)制造新的或更高價(jià)值的材料，賦予消費(fèi)后聚合物新的生命，從而延長(zhǎng)它們的壽命。
在再生聚合物的規(guī)劃方案中，通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得增值聚合物通常很容易。其未來(lái)的挑戰(zhàn)主要來(lái)自如何使這些過(guò)程具有更高的成本效益，以及同時(shí)賦予新材料化學(xué)可回收性，以使它們?cè)谛碌牟牧鲜褂脡勖Y(jié)束后不會(huì)成為新的廢物。
在聚合物可回收利用這個(gè)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的熱固性樹脂的回收利用是最棘手的問(wèn)題之一，因?yàn)槠浣宦?lián)成型后的聚合物既不能通過(guò)機(jī)械再加工，也不能通過(guò)化學(xué)方式再循環(huán)利用。
經(jīng)過(guò)多年的研究，目前已經(jīng)研究開發(fā)一類具有動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)（交聯(lián)的）的可再加工的熱固性材料，該共價(jià)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行締合交換反應(yīng)，從而使材料在加熱時(shí)再流動(dòng)。
這種“類玻璃高分子”既在一定的轉(zhuǎn)變溫度以下，可以像熱固性塑料一樣，處于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)凝固，但也可以像粘彈性液體一樣進(jìn)行熱加工（在較高溫度下）而不會(huì)失去網(wǎng)絡(luò)完整性。
這些具有開拓性和高應(yīng)用價(jià)值的學(xué)術(shù)成果將會(huì)刺激可持續(xù)熱固性塑料的進(jìn)一步發(fā)展，并能過(guò)應(yīng)對(duì)各種各樣的挑戰(zhàn)，主要包括：
- （i）聚合物具有增強(qiáng)的蠕變，耐溶劑，耐熱和耐化學(xué)性能夠，從而克服惡劣，不受控制的環(huán)境；
- （ii）聚合物具有機(jī)械延展性和化學(xué)回收性；
- （iii）具有高成本效益，可將動(dòng)態(tài)交聯(lián)安裝到具有寬溫度范圍的熱塑性商品塑料中。
在未來(lái), 開發(fā)具有閉環(huán)生命周期的可持續(xù)發(fā)展聚合物具有巨大的實(shí)際應(yīng)用潛能，既可以保護(hù)有限的自然資源，并提供可行的解決方案解決當(dāng)前合成聚合物不可持續(xù)的本質(zhì)問(wèn)題。但是，在實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程中仍然存在諸多的挑戰(zhàn)，尤其是能源成本，回收/分解的選擇性以及回收能力與性能之間的平衡。因此，在未來(lái)的大量研究中應(yīng)該集中精力在設(shè)計(jì)創(chuàng)新的單體和聚合物結(jié)構(gòu)以及開發(fā)環(huán)境友好的工藝（例如催化，無(wú)溶劑）以合成和回收包括混合的聚合物廢料和復(fù)合材料在內(nèi)的聚合物。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589597419300486#!
