近日，大連理工化工學院精細化工全國重點實驗室“小分子活化與仿生催化”教育部創(chuàng)新團隊首次實現(xiàn)了羰基在聚酮鏈中的宏觀均勻分布，讓材料性能實現(xiàn)"按需訂制"，成功實現(xiàn)聚乙烯與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。相關成果以“按需非交替共聚技術實現(xiàn)聚乙烯與尼龍的升級回收”（On-Demand Nonalternating Copolymerization Enables Upcycling of Mixed Polyethylene and Nylon Plastics）為題發(fā)表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上，并被選為封面文章（Front Cover）。該論文第一作者為我院博士生張文麗，通訊作者為我院精細化工全國重點實驗室劉野教授。

在塑料家族中，有一類特殊材料叫"聚酮"—由乙烯和一氧化碳（CO）交替排列而成。它強度高、耐化學腐蝕，但有個致命缺點：加工溫度高達252℃，幾乎無法熔融成型，更遺憾的是，傳統(tǒng)合成方法只能得到嚴格交替的鏈結構（―CH2-CH2-CO―），限制了材料設計的靈活性。

每年，全球產生超過3億噸塑料垃圾，其中聚乙烯和尼龍因化學性質差異難以混合回收，最終淪為填埋場或海洋污染物。如何將這兩種“水火不容”的塑料轉化為高性能材料？該團隊最新研究實現(xiàn)了羰基在聚酮鏈中的宏觀均勻分布，讓材料性能實現(xiàn)"按需訂制"，制備了同時含有極性和非極性結構的高分子拉鏈，成功實現(xiàn)聚乙烯與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。

串聯(lián)氣體補償策略

按照傳統(tǒng)方法進行聚合，在塑料合成過程中，乙烯和CO這兩種氣體的消耗速度不同，就像兩個人跑步一個快一個慢，導致最終產物的結構不均勻，性能不穩(wěn)定。研究團隊開發(fā)了一套“智能調氣”技術，像精準調節(jié)油門一樣控制氣體比例。在反應開始時：乙烯和CO按9:1的比例通入，幫助材料形成特定骨架；而在反應過程中，實時調整為3:2，讓兩種氣體消耗速度匹配。最終獲得的聚酮材料結構均勻，徹底解決了傳統(tǒng)方法產物“分層”的問題，并且能通過調整氣體比例，自由控制材料中羰基的含量（0%~50%），實現(xiàn)材料性能的按需定制。

聚乙烯-交替聚酮雙傾向構建準多嵌段結構

通過全面的結構分析發(fā)現(xiàn)，該新材料具有獨特的"長短鏈交替"架構：短極性段（―(CH?-CH?)?-CO―，n < 4）可以與尼龍形成氫鍵結合。長非極性段（≥4個乙烯）可以誘導聚酮與聚乙烯的共結晶。這種結構像"分子拉鏈"，同時完美匹配聚乙烯和尼龍的特性需求，使原本不相容的聚乙烯和尼龍在微觀層面緊密結合；就像在原本互不相容的油和水界面，加入表面活性劑，使其完美結合。因此，復合材料抗沖擊強度提升3倍，斷裂伸長率從42.9%躍升至437%。

這項研究首次揭示了非極性聚乙烯與極性交替聚酮的相演化機制，通過“長程無序-短程有序”的鏈結構設計，打破了傳統(tǒng)交替共聚的局限，證明非交替結構不是缺陷，而是性能調控的新維度，就像為聚乙烯和尼龍搭建了分子拉鏈橋梁，讓它們在界面處“握手言和”。此外，該非交替共聚反應是均相聚合反應，沒有淤漿聚合反應釜結垢的問題，金屬催化劑更容易回收利用，反應最高的轉化數(shù)可達~7 kg PK/g Pd，非常容易工業(yè)放大。該研究工作得到了國家自然科學基金集成項目，大連市科技創(chuàng)新基金應用基礎研究和教育部智能材料化工前沿科學中心的支持。