聚乳酸(PLA)等生物塑料被人们认为是传统石油基塑料的更可持续的替代物。然而,PLA在自然环境中降解过于缓慢,若在缺乏合适后处理方式的情况下大规模投入使用,可能会带来新一轮的环境问题。通过化学回收,有望将废弃的PLA等聚酯重新转化为有价值的化学品,可再次利用其中的资源和能量,进而推动塑料经济从线性模式向循环模式的转变。
复旦大学高分子科学系俞麟教授首次将一种廉价的有机非金属化学物——磷酸二苯酯(DPP)用于加速PLA的水解并实现了材料的闭环回收。无需惰性气体保护、施加外部压力以及使用有机溶剂,仅在3.5 wt%的DPP和少量水的作用下,多种PLA工业粒料和市售产品在160℃下、1.5小时内可通过随机水解迅速转化为分子量不足500 g/mol的低聚物。具有酸碱双官能团的DPP在催化水解过程中可能起到了双重活化的作用,并且在重复使用10次后仍能保持良好的催化活性。通过调节反应体系中的水含量,还可将低聚物进一步水解得到与市售品品质相当且立体构型保持的乳酸水溶液。
为进一步验证该策略的实际可行性,团队以DPP为催化剂,实现了公斤级PLA工业粒料的高效降解。得到的低聚物产物无需提纯或浓缩,可直接用于制备丙交酯,继而通过成熟的工业路线再次合成了高质量的PLA,实现了材料的闭环回收。此外,该催化剂具有一定的普适性,可加速多种聚酯和聚碳酸酯的水解,包括聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)等。
相关研究成果以“Cheap organocatalyst diphenyl phosphate for efficient chemical recycling of poly(lactic acid), other polyesters and polycarbonates”为题发表于Chemical Engineering Journal(DOI: 10.1016/j.cej.2023.148131),文章的第一作者为复旦大学高分子科学系硕士生吴婉华,俞麟教授为通讯作者,丁建东教授为共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和聚合物分子工程国家重点实验室的资助。
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