基于受阻脲键动态交联的通用塑料——闭环回收与升级再造的全景演示
塑料被认为是20世纪最重要、最具影响力的合成消费品。塑料的崛起广泛而深刻地塑造了人们的现代生活方式。塑料价格低廉、质地轻便，且通常比天然材料更坚固，因此渗透到人们日常生活的方方面面，几乎无处不在。
20世纪50年代以来，全球生产了约90亿吨塑料，其中40%被填埋、12%被焚烧、少部分进入海洋。如今，全球塑料年产量超过5亿吨，相当于人均60公斤。按此趋势，至2050年，海洋中塑料的重量或将超过鱼类的重量。塑料在自然环境中具有很强的耐久性，常可存续数百年。
回收塑料可以节约能源和资源，但迄今仅约9%的塑料被回收，原因包括废旧塑料的非均质性、污染物残留、加工成本以及机械回收导致的塑料品质下降。为了实现塑料的循环经济，学者们提出了两个理念——闭环回收closed-loop recycling、升级再造open-loop upcycling。
在闭环回收中，例如通过动态共价键技术，有望实现塑料的高质量循环利用，但它面临选择性、解聚与性能平衡等挑战。
在升级再造中，若能将废旧塑料转化为高价值的先进材料，则有望变废为宝，从而有力地补充完善闭环回收。例如，非纤维类塑料中碳氢化合物的含量通常超过64wt%，若能将其转化为先进碳材料，则是一种有吸引力的思路，但其附加值仍无法抵消其生产成本。
在物质循环之外，新能源是实现可持续发展的另一个关键。为了应对太阳能发电等的间歇性、波动性、随机性问题，需要大规模低成本的储能技术进行新能源电网调频调峰。地壳中钾储量极丰富，因此钾离子电池是有前途的大规模储能路线之一。然而，钾的半径远大于锂，导致嵌入反应困难，影响循环与倍率性能，亟需新型碳负极材料。
为应对上述挑战，本研究提出将受阻脲键引入到通用塑料/大宗塑料之中，发展了一种基于通用塑料的可回收的动态交联塑料，全面演示了该塑料的循环回收、升级再造。
在闭环回收方面，将受阻脲键引入到大宗塑料ABS之中，构建了一种可回收利用的具有动态交联特性的塑料，即ABS-V。该流程无需催化剂，兼容工业化的加工成型产线。“交联”使塑料对溶剂、变形及外力具有抵抗力；“动态”则赋予塑料可回收性，该塑料经注塑、3D打印、浇铸、挤出成型、压延成型、压缩成型等再回收重复加工之后，其机械性能仍可媲美原始塑料。
在升级再造方面，考虑到常用的碳化辅助剂例如铁或氧化铁等需要酸洗去除，因此提出了一种容易再生的ZnO辅助热解法。在加热塑料和ZnO粉末的混合物时，ZnO经碳热还原逸出反应体系，从而实现了碳化辅助剂的同步再生和循环利用，避免了酸洗工序。而且，由于锌分层效应，挥发的锌蒸汽还可疏松碳层结构，增大碳层层间距。所得碳材料是一种持久且高倍率的钾离子电池负极材料，在5A/g条件下循环10000次后保持192mAh/g的容量。
图1. ABS-V的合成示意图。（a）合成化学。（b）基于受阻脲键的可逆动态交联。
图2. ABS-V的动态交联及循环回收。（a）溶胀性质。（b）蠕变性质。（c）应力松弛。（d）升温FTIR光谱。（e）压缩成型。（f）微注塑。（g）3D打印。（h）浇筑。（i）挤出成型。（j-n）回收再加工后的力学性能对比。（n）回收再加工后的热分解行为对比。（o,p）自修复性能。
图3. ABS-V衍生多孔碳的性质。（a）合成示意图。（b-e）微观形貌。（f-i）XRD、Raman、BET、XPS表征。（j-n）多孔碳合成过程示意。
图4. 钾离子电池性能。（a）碳负极CV曲线。（b）碳负极在1A/ g的循环性能。（c）碳负极倍率性能。（d）碳负极在5A/g的循环性能。（e）碳负极性能汇总。（f）全电池性能。（g）全电池示意图。
该工作提供了一种基于通用塑料/大宗塑料而改性的动态交联聚合物，全面演示了闭环回收、升级再造，有助于可回收材料、绿色电网储能的发展，有利于循环经济、可持续发展。
该研究以“A hindered-urea vitrimer: recyclable for circular use and upcyclable for rechargeable battery”为题发表于能源与环境领域顶级学术期刊Energy & Environmental Science。
bw必威西汉姆联官网王学斌教授为论文通讯作者，bw必威西汉姆联官网王彦军博士为第一作者。bw必威西汉姆联官网胡征教授、李承辉教授、四川大学高分子研究所雷景新教授、江亮副研究员等为本论文做出了重要指导。
该工作得到了国家自然科学基金联合重点、面上、江苏省重点研发、江苏省自然科学基金等的支持。
