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引言：聚酮材料的難題與塑料污染的困境與希望

  在塑料家族中，有一類特殊材料叫“聚酮”—由乙烯和一氧化碳交替排列而成。它強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕，但有個致命缺點：加工溫度高達(dá)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(yán)格交替的鏈結(jié)構(gòu)（―CH₂-CH₂-CO―），限制了材料設(shè)計的靈活性。

  每年，全球產(chǎn)生超過3億噸塑料垃圾，其中聚乙烯（PE）和尼龍（PA）因化學(xué)性質(zhì)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(zhuǎn)化為高性能材料？大連理工大學(xué)劉野團(tuán)隊的最新研究，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)PE與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。

技術(shù)核心：打破"交替魔咒" ，實現(xiàn)一箭雙雕的“分子縫合術(shù)”

1. 串聯(lián)氣體補(bǔ)償策略

  傳統(tǒng)方法中，反應(yīng)釜內(nèi)的氣體消耗會導(dǎo)致產(chǎn)物不均勻。團(tuán)隊發(fā)明了動態(tài)調(diào)氣技術(shù)：

• 初始階段：乙烯/CO=9:1（誘導(dǎo)非交替結(jié)構(gòu)形成）
  

  
  

• 反應(yīng)中：實時調(diào)整為3:2（單體消耗與聚合物生成達(dá)到動態(tài)平衡）
  
  

  最終得到的聚酮，羰基分布均勻，徹底告別"梯度共聚物"的缺陷。通過串聯(lián)氣體補(bǔ)償策略，可以輕松實現(xiàn)聚合物中的羰基含量的靈活調(diào)控（0%~50%）。

2. 聚乙烯-交替聚酮雙傾向構(gòu)建準(zhǔn)多嵌段結(jié)構(gòu)

  通過全面的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，新材料具有獨(dú)特的“長短鏈交替”架構(gòu)：

• 短極性段（―(CH₂-CH₂)_n-CO―，n < 4）：與尼龍形成氫鍵結(jié)合。

  
  

• 長非極性段（≥4個乙烯）：維持結(jié)晶性能誘導(dǎo)聚酮與PE的共結(jié)晶。這種結(jié)構(gòu)像“分子拉鏈”，完美匹配PE和尼龍的特性需求，使原本不相容的PE和尼龍在微觀層面緊密結(jié)合，復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度提升3倍，斷裂伸長率從42.9%躍升至437%。

科學(xué)意義：從“對立”到“統(tǒng)一”的分子設(shè)計

  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(jī)制，通過“長程無序-短程有序”的鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計，打破了傳統(tǒng)交替共聚的局限。證明非交替結(jié)構(gòu)不是缺陷，而是性能調(diào)控的新維度，就像為PE和尼龍搭建了分子橋梁，讓它們在界面處“握手言和”。

  此外，此非交替共聚反應(yīng)是均相聚合反應(yīng)，沒有淤漿聚合反應(yīng)釜結(jié)垢的問題，金屬催化劑更容易回收利用，反應(yīng)最高的轉(zhuǎn)化數(shù)可達(dá)7 kg PK/g Pd，非常容易工業(yè)化放大。

  以上研究成果以“On-demand nonalternating copolymerization enables upcycling of mixed polyethylene and nylon plastics”為題，發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 上，并被選為封面文章（Front Cover）。論文的第一作者是大連理工大學(xué)化工學(xué)院博士生張文麗，通訊作者是大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室劉野教授，該項目得到了國家自然科學(xué)基金（NSFC, Grant 52273004, 92356305）的支持。

劉野簡介

  劉野，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室教授，博士生導(dǎo)師。2008年于大連理工大學(xué)化工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2014年于大連理工大學(xué)獲得應(yīng)用化學(xué)工學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：呂小兵教授）。2016 ~ 2018年在德國康斯坦茨大學(xué)從事洪堡博士后研究（合作導(dǎo)師：Prof. Stefan Mecking），隨后破格晉升教授，次年入選國家級青年人才。主要研究方向為高分子合成化學(xué)、聚酮樹脂和纖維等。近5年通訊作者代表性工作（J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 34560;2021, 143, 10743.Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202404186;2022, 61, e202204492;2022, 61, e202204126;2022, 61, e202116208.ACS Catal.2021, 11, 8349.Macromolecules2020, 53, 2912; 2021, 54, 4641;2023, 56, 510;2023, 56, 1759; 2024, 57, 4174;J. Catal. 2023, 417, 334;ACS Macro Lett.2024, 13, 1099）。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09549