轻巧而坚固，塑料很棒 - 直到你不再需要它。由于塑料含有各种添加剂，如染料，填料或阻燃剂，因此很少有塑料可以回收而不会损失性能或美观性。即使是最可回收的塑料，PET - 或聚(对苯二甲酸乙二醇酯) - 也只能以20-30%的速度回收，其余的通常用于焚烧炉或垃圾填埋场，富含碳的材料需要几个世纪才能分解。
现在，美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一个研究小组设计了一种可回收塑料，就像乐高玩具一样，可以在分子水平上拆卸成其组成部分，然后重新组装成不断变化的形状，纹理和颜色，不会损失性能或质量。这种名为聚(二酮乙酰胺)或PDK的新材料在“ 自然化学 ”杂志上发表。
伯克利实验室分子铸造厂的博士后研究员，主要作者彼得克里斯滕森说：“大多数塑料都不会被回收利用。” “但我们已经发现了一种组装塑料的新方法，从分子角度考虑回收利用。”
克里斯滕森是伯克利实验室分子铸造厂的科学家布雷特赫尔姆斯领导的多学科团队的一员。其他合着者是本科研究人员Angelique Scheuermann(当时的加州大学伯克利分校)和Kathryn Loeffler(当时的德克萨斯大学奥斯汀分校)，他们在研究期间由DOE的科学本科实验室实习(SULI)计划资助。整个项目由伯克利实验室的实验室指导研究和开发计划资助。
所有塑料，从水瓶到汽车零件，都由称为聚合物的大分子组成，这些分子由称为单体的较短含碳化合物的重复单元组成。
根据研究人员的说法，许多塑料的问题在于添加的化学物质使它们变得有用 - 例如使塑料变硬的填料或使塑料具有柔韧性的增塑剂 - 与单体紧密结合并留在塑料中即使在回收厂加工后也是如此。
在这些工厂加工过程中，将具有不同化学成分的塑料 - 硬塑料，弹性塑料，透明塑料，糖果色塑料 - 混合在一起并研磨成碎片。当切碎的塑料大杂烩融化成新材料时，很难预测它将从原始塑料中继承哪些特性。
这种未知的，因此不可预测的特性的继承阻止了塑料成为许多人认为的回收圣杯：一种“圆形”材料，其原始单体可以被回收以便尽可能长时间地重复使用，或者“升级”以制造新的，更高品质的产品。
因此，当用可回收塑料制成的可重复使用的购物袋因磨损而破损时，它不能被回收利用，甚至不能再循环用于制造新产品。赫尔姆斯说，一旦袋子达到其使用寿命，它就会被焚烧以产生热量，电力或燃料，或最终进入垃圾填埋场。
“圆形塑料和塑料再循环是一项巨大的挑战，”他说。“我们已经看到塑料废物泄漏到我们的水生生态系统中的影响，这种趋势可能会因为制造的塑料数量增加以及它对我们的市政回收基础设施产生的下游压力而加剧。”
一次回收塑料一种单体
研究人员希望通过激励塑料的回收和再利用来转移填埋场和海洋中的塑料，这可能是由PDK形成的聚合物实现的。“使用PDK，传统塑料的不变债券被可逆债券所取代，可以更有效地回收塑料，”赫尔姆斯说。
与传统塑料不同，PDK塑料的单体可以简单地通过在高酸性溶液中浸泡材料来回收并从任何混合添加剂中除去。酸有助于破坏单体之间的键并将它们与化学添加剂分离，从而赋予塑料外观和感觉。
“我们对塑料生命周期从线性到圆形重定向的化学感兴趣，”赫尔姆斯说。“我们认为有机会在没有回收选择的地方发挥作用。” 其中包括粘合剂，手机壳，表带，鞋子，计算机电缆和通过模塑热塑料材料制成的硬质热固性塑料。
当克里斯滕森将各种酸用于制造PDK粘合剂的玻璃器皿时，研究人员首先发现了PDK基塑料令人兴奋的圆形特性，并注意到粘合剂的成分发生了变化。Christensen对粘合剂如何转化感到好奇，他用NMR(核磁共振)光谱仪分析了样品的分子结构。“令我们惊讶的是，它们是最初的单体，”赫尔姆斯说。
在Molecular Foundry测试各种配方后，他们证明酸不仅将PDK聚合物分解成单体，而且该方法还允许单体与缠结的添加剂分离。
接下来，他们证明了回收的PDK单体可以重新制成聚合物，那些回收的聚合物可以形成新的塑料材料，而不会继承原始材料的颜色或其他特征 - 这样你扔进垃圾桶的破碎的黑色表带就能找到新的如果是用PDK塑料制作的电脑键盘生活。他们还可以通过添加其他功能(如灵活性)来提升塑料周期。
迈向圆形塑料未来
研究人员认为，他们的新型可回收塑料可能是目前使用的许多不可回收塑料的良好替代品。
赫尔姆斯说：“我们正处于一个关键时刻，我们需要考虑现代化回收设施所需的基础设施，以便进行未来的废物分类和处理。” “如果这些设施的设计目的是回收利用PDK及相关塑料，那么我们就能更有效地将塑料从垃圾填埋场和海洋中转移出来。这是一个激动人心的时刻，开始考虑如何设计材料和回收设施圆形塑料，“赫尔姆斯说。
研究人员接下来计划开发具有广泛热性能和机械性能的PDK塑料，用于纺织品，3D打印和泡沫等多种应用。此外，他们还希望通过引入植物材料和其他可持续来源来扩大配方。