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  北京化工大学学报(自然科学版)  2022, Vol. 49 Issue (5): 1-12   DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2022.05.001
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引用本文  

傅陈超, 张润, 薛平, 陈晓农, 贾明印, 陈轲. 交联PE废旧料的回收方法及可逆交联高分子的研究进展[J]. 北京化工大学学报(自然科学版), 2022, 49(5): 1-12. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2022.05.001.
FU ChenChao, ZHANG Run, XUE Ping, CHEN XiaoNong, JIA MingYin, CHEN Ke. Recovery methods for cross-linked pe waste materials and progress in the study of reversible cross-linked polymers[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science), 2022, 49(5): 1-12. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2022.05.001.

基金项目

中央高校基本科研业务费(JD2219)

第一作者

傅陈超, 男,1999年生,硕士生.

通信联系人

张润, E-mail: zhangrun_buct@163.com

文章历史

收稿日期:2022-04-21
交联PE废旧料的回收方法及可逆交联高分子的研究进展
傅陈超 1, 张润 1, 薛平 1, 陈晓农 2, 贾明印 1, 陈轲 1     
1. 北京化工大学 机电工程学院, 北京 100029;
2. 北京化工大学 材料科学与工程学院, 北京 100029
摘要:随着我国国民经济的快速发展,不可逆交联聚乙烯(XLPE)在日常生活中的应用越来越广泛,但同时也产生了大量的废旧料。通过不可逆化学键形成的XLPE交联结构很难被破坏,导致其加热难熔融、难以循环加工,因此XLPE废旧料回收困难,再生利用率低,并且造成了严重的环境污染。近年来发展起来的可逆交联技术通过在高分子中引入动态化学键形成分子链交联结构,使其在特定物理场下可以解除交联结构,从而具备可回收性和再加工性。本文综述了XLPE的传统回收方法和可逆交联高分子的研究进展,总结了XLPE回收方法的优点和局限性,重点介绍了解离型反应和缔合交换型反应在制备动态交联高分子材料中的应用。
关键词交联聚乙烯    回收    动态共价键    可逆交联    
Recovery methods for cross-linked PE waste materials and progress in the study of reversible cross-linked polymers
FU ChenChao1 , ZHANG Run1 , XUE Ping1 , CHEN XiaoNong2 , JIA MingYin1 , CHEN Ke1     
1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;
2. College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China
Abstract: With the rapid development of China's national economy, irreversible cross-linked polyethylene (XLPE) is more and more widely used in daily life, but at the same time, a large number of waste materials are produced. The chemical bonds in the cross-linked structure of XLPE are hard to break, which makes the material difficult to melt when heated and challenging to recycle. As a result, the recycling rate of XLPE waste materials is low, leading to serious environmental pollution. The reversible cross-linking technology developed in recent years leads to cross-linked molecular chain structures by introducing dynamic chemical bonds into the polymer. The cross-linked structure can be broken down under a specific physical action, making the material recyclable and reprocessable. This paper reviews the traditional methods of recycling XLPE and recent progress in the study of reversible cross-linked polymers. The application of dissociation reactions and association exchange reactions in the preparation of dynamic cross-linked polymers is introduced. The advantages and limitations of different XLPE recovery methods are summarized.
Key words: cross-linked polyethylene    recovery    dynamic covalent bond    reversible cross-linking    
引言

聚乙烯(PE)作为应用最广泛的通用塑料之一,具有众多优良的性能,但耐热性和耐候性差以及力学性能较低等缺陷使其应用受限。化学交联是改善PE性能的有效手段之一,通常通过不可逆化学键将PE分子链结合在一起,使其由线性结构转化为稳定的三维网状结构[1],得到不可逆交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)。XLPE能够承受较高的热负载,具有较好的耐油耐老化性能、机械性能和电气性能等[2-3],可广泛应用于电气、建筑及汽车等行业。

亚太地区作为世界上XLPE的主要消耗地,2018年占据全球消耗量的48.32%[4]。特别是在我国,随着国民经济的快速发展,XLPE在日常生活中的应用越来越广泛,但同时也产生了规模庞大的废旧料。由于XLPE废旧料加热难熔融、难以循环加工,因此其回收困难,再生利用率低。将XLPE直接填埋或露天焚烧不仅降低了资源利用率,而且还会带来严重的环境污染问题[5],也不符合我国的可持续发展理念以及2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的重大战略决策。因此,如何科学有效地回收XLPE是学术界和工业界关注的热点问题。

目前,对于以XLPE为代表的常规交联高分子,主要通过剪切碾磨、机械粉碎等手段进行回收,虽然这些方法在一定程度上得到了产业化推广,但是其很难针对性地破坏或改变聚合物中不可逆化学键形成的交联结构,因此存在诸多问题,例如制品易产生缺陷、性能不稳定等。近年来,可逆交联高分子制备技术得到快速发展,使用该技术制备的高分子聚合物中含有物理场(如温度、pH值和紫外光等)刺激响应的可逆化学键,由可逆化学键形成的交联结构不仅可以改善材料的理化性能,而且还可以实现交联高分子在特定物理场下的动态交联,使其具备可回收性和再加工性,因此可逆交联技术是未来高分子材料领域发展的热点方向之一。

本文综述了XLPE的回收方法并对其优缺点进行了总结归纳,重点介绍了动态共价键的两种反应类型以及在制备动态交联高分子聚合物中的应用,以期为相关研究提供参考。

1 XLPE废旧料的回收方法

XLPE废旧料的回收方法主要包括固相剪切碾磨回收法、粉末化填料回收法、热剪切塑化回收法、超临界流体处理回收法和超声波辅助挤出回收法等,本文主要概述这些方法在XLPE废旧料回收中的研究和应用现状。

1.1 固相剪切碾磨回收法

四川大学的徐僖院士研究团队借鉴中国传统石磨,应用高分子力化学原理和固相剪切加工理论研发了固相剪切碾磨回收法[6]。该方法通过磨盘形力化学反应器产生强大的剪切、挤压作用,实现对XLPE的解交联[7],或者将难以回收的材料转化成易于加工的粉末形式[8]

李万庆等[9]利用固相力化学反应器独特的三维剪切结构破坏废弃XLPE电缆料的交联结构,与原回收料相比,处理后回收料的热塑加工性得到显著改善,以此实现废弃XLPE的回收再利用。卢灿辉等[10]通过固相力化学反应器对XLPE进行铣削分解,制备了综合力学性能良好的塑料制品。高宇[11]将废弃XLPE碾磨后填充到高密度聚乙烯(HDPE)中,实验结果表明添加6%(质量分数)XLPE所制备的复合材料表现出较好的力学性能和摩擦磨损性能。Sun等[12]利用固态剪切力化学技术回收废旧硅交联聚乙烯(Si-XLPE),与未经处理的Si-XLPE相比,经过10次机械力化学铣削后Si-XLPE试样的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了118.4%和330.4%;之后,该团队[7]再次利用该技术对Si-XLPE废料进行回收并成功制备了热塑性PE。

固相剪切碾磨回收法经过多年发展,目前已较为成熟。该技术具有无需催化剂,可以在室温下进行,并且不受特定交联化学键约束等特性,因此在热固性聚合物的回收中具有巨大的应用潜力,例如该技术可用于PE基复合材料的制备[13-15]以及废弃人工草坪的回收[16]等领域。

1.2 粉末化填料回收法

粉末化填料回收法是一种将XLPE清洗、粉碎后直接与其他材料共混,然后经塑化加工后成型的回收方法[17-18]

高宇等[19]将XLPE回收料粉碎后填充到HDPE中,并加入纳米碳酸钙,研究了纳米碳酸钙/XLPE/HDPE复合材料的摆锤冲击性能和摩擦磨损性能,实验结果表明,当纳米碳酸钙的添加量为7%(质量分数)时,与纯HDPE相比,复合材料的抗冲击性能提升了18.3%,同时耐磨性能也得到显著提高。之后,高宇[11]将废弃XLPE通过机械粉碎制成粉末,然后填充至HDPE中,并加入有机蒙脱土,制备了蒙脱土/XLPE/HDPE复合材料,与传统护墙板的原料聚氯乙烯(PVC)相比,新型复合板材所利用的原料只含有C、H两种元素,燃烧时不会产生氯化氢等有害气体,具有一定的生态效益和经济效益。

Zéhil等[20]通过测试不同比例的水泥与自由水的混合料的硬化性能,探讨了将废旧XLPE破碎料掺入混凝土的可行性,结果表明:XLPE的添加对混凝土的施工性能及含气量的影响较小;由于集料与XLPE碎块的密度存在差异,混凝土的密度有所降低;XLPE使混凝土的透水性能有所提升;XLPE受热后发生降解,降低了XLPE改性混凝土的残余抗压强度。Navratil等[21]将回收的电子束辐照HDPE(HDPEx)粉碎成粉末,填充到低密度聚乙烯(LDPE)中,探究了HDPEx对共混材料的加工性能和力学性能的影响,结果表明,随着HDPEx含量的增加,共混材料的弹性模量和硬度增大,而可加工性降低。岂林霞[22]将XLPE回收料粉碎后填充到HDPE中,发现添加少量的XLPE可以改善挤出制品的外观,并降低挤出过程中熔体破裂现象发生的可能性。

粉末化填料回收法简单易行、成本较低,并且不受专用设备等条件的限制,因此应用较为广泛。但该方法未改变XLPE中分子链的化学交联结构,粉碎填充后材料的流动性差,制品易产生缺陷,因此XLPE的填充量受限,只能用于低档次成型产品。

1.3 热剪切塑化回收法

热剪切塑化回收法利用高温和强剪切作用破坏XLPE中的不可逆交联键,解除分子链的体型结构[23],使其恢复热塑流动性。热氧化会优先降解键能较弱的碳碳键,有一定的针对性;而机械剪切力则会引发碳碳键的无规则断裂[12]

郦华兴等[24]利用热剪切作用破坏XLPE中的交联键,将XLPE再生料、HDPE和乙烯-醋酸乙烯共聚物共混并辐照,发现再生料的有效分子链链段再次交联,与辐照前相比,辐照后共混材料的机械性能得到显著提高。Tokuda等[25]通过热剪切作用使XLPE分子量降低,得到凝胶含量为1%~40%(质量分数)、熔体流速为0.1~30 g/10 min的再生料,并且可以通过模压和挤出成型。

热剪切塑化回收法的工艺设备简单,经济效益高,但会导致XLPE分子链和交联键的无规则断裂,使回收料重塑加工后所得制品的性能不稳定,从而影响产品的质量。

1.4 超临界流体处理回收法

超临界流体处理回收法利用黏度低、扩散速度快的超临界流体使XLPE的交联键选择性断裂,恢复其塑性流动,以此制备理想的解交联产品[26]。例如,超临界水主要针对分子链上含有酯基、酰胺基、醚基等极性基团的塑料进行分解。

Watanabe等[27]采用超临界水破坏过氧化二异丙苯制备的XLPE的交联键,使其选择性断裂,进而转化为线性PE,然后将其作为热塑性树脂再利用。Goto等[28-29]在单螺杆挤出机回收硅烷XLPE的连续加工工艺中,采用超临界乙醇和水使硅氧烷键选择性断裂,以此破坏交联结构,得到的再生料仍能进行交联反应,并且其理化性能与纯PE相当。Kwon等[30]使用超临界流体技术对XLPE进行解交联,然后加入交联剂过氧化二异丙苯(DCP)、发泡剂偶氮二甲酰胺(ADCA)对解交联的XLPE废料进行二次交联、发泡,制得的发泡材料与LDPE制成的发泡材料相比,具有更高的凝胶含量和更小的泡孔直径。

超临界流体处理回收法可以选择性地对回收料进行解交联,但高温高压的加工工艺导致设备成本和运行成本较高,难以实现规模化应用。

1.5 超声波辅助挤出回收法

超声波辅助挤出回收法利用超声波产生的高频伸缩应力破坏分子链体形结构中键能较低的部分,从而达到解交联的目的[31]

Isayev等[32]开发了一种超声波辅助单螺杆挤出机解除交联HDPE(XHDPE)化学交联网络的环保工艺,研究结果显示XHDPE的凝胶率和交联密度随超声振幅的增大而减小。之后,该课题组进一步利用超声波辅助单螺杆挤出和双螺杆挤出,对比了加工交联HDPE和交联LDPE之间的差异,发现在不破坏聚合物主链的情况下,交联LDPE的解交联过程相比交联HDPE更为困难[33]

超声波辅助挤出回收法的解交联效果较好,但是生产效率低,而且分子主链极容易断裂,难于产业化推广。

总体而言,虽然上述几种方法均能实现XLPE的回收,但是存在可控性差、工艺复杂、成本高和制品性能不稳定等缺陷,使其在实际应用中受到不同程度的限制。因此,找到一种能够弥补上述不足并且适用于实际生产的回收方法是实现XLPE产业长足发展的关键。

近年来,可逆交联高分子制备技术得到了快速发展,该技术将可逆的动态化学键引入聚合物,实现聚合物分子链的三维网状结构和线性结构之间的动态转换,使化学交联的高分子材料既具有优异的理化性能,又具备理想的热塑加工性,以期从根本上解决化学交联料的回收问题。

2 可逆交联高分子的研究现状

21世纪初,Lehn[34]提出了“dynamer”的概念,其核心理念是利用动态共价键对聚合物分子链实施化学交联,通过动态共价键的交换和重组赋予交联聚合物热塑流动性。该研究制备了超分子聚合物以及基于亚胺键和酰腙键的动态共价聚合物,但在动态共价聚合物网络的宏观动态物理特性方面未进行深入研究。

2017年,郑宁等[35]在形状记忆聚合物的研究中发现,基于动态共价键的形状记忆聚合物的网络塑性具有很强的通用性和实用性,因此提出了“热适性形状记忆聚合物”(thermadapt shape memory polymer)的概念。

2010年,Bowman团队为了突出动态共价交联网络的重要性,提出了“共价可适应网络”(covalent adaptable network,CAN)的概念[36],CAN既具备普通交联网络的特点,又能够在外物理场的刺激下实现共价键的平衡转换或完全解离,从而表现出可重塑性。目前,研究者已发现很多普适性的适于构筑CAN的动态共价键反应,例如Diels-Alder(DA)反应[37]、卡宾二聚反应[38]、硅氧烷平衡[39]和烯烃复分解反应[40]等。

2011年,Leibler课题组发现部分动态交联网络聚合物具有与玻璃类似的流变特性,提出了“vitri-mer”的概念[41],同时发现正是这一特性使动态交联网络聚合物可以像玻璃一样被重复加工,清华大学张希院士将其翻译为“类玻璃高分子”[42]。经过多年的发展,vitrimer已经从最初的环氧-羧酸体系[41]拓展到亚胺[43]和乙烯基-氨基甲酸酯[44]等体系。

近年来,动态交联网络聚合物的研究日益增多,研究者从不同的角度研究阐释动态交联网络聚合物的特性,这有助于人们深入理解各种动态交联网络聚合物的宏观特性。常见的动态共价键反应有两类[45]:一类是解离型反应,即在外物理场的刺激下特定化学键完全解离(图 1(a)),例如Diels-Alder反应、可逆亲核加成和卡宾裂解等反应;另一类是缔合交换型反应,即在外物理场的刺激下特定化学键不断缔合交换,进而动态断开、生成(图 1(b)),例如酯交换反应、转氨基化反应和烷基交换反应等。由于上述两类反应中共价键的动态响应过程不完全一致,因此动态共价键对分子链热运动的影响机理也不尽相同。正是由于特定共价键可以引发分子链网络拓扑结构的动态响应,动态交联网络聚合物才具备可回收性。

图 1 动态共价键的反应机制[45] Fig.1 Reaction mechanisms of dynamic covalent bonds[45]
2.1 解离型反应

利用解离型反应制备的动态交联网络聚合物在受到外物理场的刺激时,动态化学键完全解离,三维网络结构完全解除,交联密度降低,聚合物体系的黏度骤降,材料表现出热塑性聚合物的性质;在无外物理场刺激时,解离的化学键恢复,分子链重构三维网络结构,材料表现出热固性聚合物的性质。除了利用温度场实现化学键的动态响应外,还可以通过引入功能材料制备特定物理场(如光、电和pH值等)刺激响应的动态交联网络聚合物。

Luo等[46]以不同化学结构的含呋喃芳香族聚酰胺和双马来酰亚胺为原料,基于Diels-Alder反应制备了热刺激响应的交联网络聚合物,在130 ℃下该聚合物的分子链交联结构被解除,所得材料的回收率达80%。Jiang等[47]开发了一种对紫外光敏感的新型含蒽液晶聚合物网络(LCN),在不同波长的紫外线照射下蒽基发生二聚和解二聚反应,实现交联域和解交联域的可控分布,此外,作者还验证了有序-无序相变引起的光能驱动行为。Zheng等[48]通过苯二甲酸、间二甲苯二胺和三(2-氨基乙基)胺的缩聚反应制备了多刺激响应的苯胺三聚体(ACAT)-vitrimer,研究表明引入的ACAT使其具备独特的光热效应以及优异的焊接性和可回收性。

曾艳丽等[49]优化了CH3N3等物质的单重态和三重态解离过程中交叉点的几何构型,采用电子密度拓扑分析法计算了交叉点的拓扑性质,研究结果表明,在N(1)—N(2)、N(2)—N(3)和N(3)—C(4)这3种构型中,N(2)—N(3)是解离反应中最容易断裂的化学键。周敏等[50]利用紫外光解离法在分析池中添加适量的碰撞气体,并采用193 nm波长的紫外光照射分析池,与不添加碰撞气体相比,添加碰撞气体提高了母体离子的裂解率;与碰撞辅助解离法相比,获得了更加丰富的离子碎片。

Chen等[51]通过Diels-Alder反应开发了一种透明有机聚合物材料,该材料在温和条件下不需要催化剂即可实现自愈,并且在常温下机械性能良好。Fu等[52]基于Diels-Alder反应,使用酸化多壁碳纳米管(aCNTs)作为导体,设计并合成了具有高热稳定性和高静态耗散能力的聚氨酯(PU)膜(PU-DA-CNT),发现当CNT的质量分数保持在2%~5%之间时,合成的PU-DA-CNT具有优异的热稳定性。Yu等[53]利用马来酰亚胺侧基和含氨酯键的呋喃交联剂之间的Diels-Alder反应形成可逆交联共价健,并将其引入刚性-柔性分段PU中,获得具有高刚度、高强度、高韧性以及良好耐溶剂性和耐热性的可逆交联PU,图 2为含DA反应侧基的PU合成路径。

DHPM:N-(2, 3-二羟丙基)马来酰亚胺;FHF:1, 6-六亚甲基双(2-呋喃甲氨基甲酸酯)。 图 2 含DA反应侧基的PU的合成[53] Fig.2 Synthesis of PU containing DA reaction side groups[53]

Li等[54]基于Diels-Alder反应制备了一种新型氧化石墨烯/聚氨酯(GO/PU)复合材料,该材料具有较强的机械性能和优异的热自愈能力,实验结果表明,与纯PU相比,加入0.1%(质量分数)GO后GO/PU复合材料的拉伸模量提高了1倍,拉伸强度和断裂伸长率分别提高了367%和210%。Luo等[55]利用Diels-Alder反应使呋喃聚酰胺与双马来酰亚胺发生交联,制备了可回收的交联材料,实验结果表明,当呋喃与马来酰亚胺基团的物质的量之比≤ 0.1时,交联样品具有良好的可回收性;当二者的物质的量之比≥0.2时,交联样品的交联密度较高,强度降低至初始值的80%左右。

Heo等[56]基于Diels-Alder反应,通过蒽和马来酰亚胺反应生成预交联单体(HTDA),并分别对其进行本体自聚和碳纤维增强,所得两种材料的自愈合效率分别达到94%和69%,本体自聚的材料在240 ℃以上具有一定的稳定性,HTDA的合成路线如图 3所示。Yang等[57]利用甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷(MGP)、六亚甲基二异氰酸酯三聚体(HDI)和聚乙二醇(PEG)之间的反应,制备了具有动态交联网络结构的MGP聚氨酯(MGP-PU),并对比了MGP-PU和PU的分子链网络分别暴露在CO2/H2O混合物和空气中的自愈过程,结果表明MGP-PU能够在空气中进行自修复。

图 3 HTDA的合成路线[56] Fig.3 Synthetic route for HTDA[56]

牛慧课题组[58-60]报道了一种基于呋喃/马来酰亚胺解离反应的热可逆交联聚合物,该聚合物具有良好的可塑性和可回收性。刘丽英等[61]在此基础上利用催化剂引发乙烯/6-呋喃-1-己烯共聚合,得到侧基含有呋喃取代基的PE,然后以1, 6-二马来酰亚胺基己烷为交联剂,基于Diels-Alder反应制备了热可逆交联PE(reversible cross-linked polyethylene,RvXLPE),并通过实验验证了其可重复加工性。陈靖泽[62]利用双环戊二烯二甲酸与环氧PE的可逆交联反应制备了可重复加工的RvXLPE,有效改善了普通PE的机械性能和热性能,并采用模压法验证了其可重塑性。通常,制备RvXLPE的方法是利用可逆化学键形成动态网状拓扑结构,使其在特定条件下实现分子链线性结构与三维网状结构之间的动态转换,但是PE分子链上缺少可反应的官能团,并且具有耗时长、能耗高、副产物多等缺陷,导致RvXLPE尚未实现产业化应用。

总体而言,利用解离型动态化学键制备的交联网络拓扑结构在外物理场刺激下的动态响应过程比较明晰,聚合物分子链热运动的机理也较为明确。当动态化学键解离时,受熔体内自由体积的限制,呈线性结构的分子链的运动主要以分段位移为主;当动态化学键重新生成时,呈三维网状结构的分子链几乎丧失热运动能力。

2.2 缔合交换型反应

事实上,并不是所有的动态化学键都只存在交联和解交联两种状态,部分动态化学键形成的交联网络拓扑结构在外物理场的刺激下处于解除和重构的动态交换状态,例如酯交换动态共价键形成的分子链网状结构,利用此类共价键制备的动态交联网络聚合物的分子链热运动更为复杂。

Montarnal等[41]以醋酸锌为催化剂,按照羧基与环氧基团的物质的量之比为1:1,使双酚A二缩水甘油醚、脂肪二羧酸与三羧酸反应,首次基于酯交换反应制备了动态交联网络聚合物,并利用区分玻璃态和橡胶态的玻璃化转变温度(Tg)和描述交联网络结构重排的拓扑结构转变温度(材料黏度为1012 Pa·s时的温度,Tv)来描述其黏温特性。Fortman等[63]在无催化剂的条件下使六元环状碳酸酯和多胺反应,制备了多羟基PU,其拉伸性能与热固性聚合物相当。有学者认为,对于基于缔合交换型反应制备的动态交联网络聚合物,在一定范围内温度越高,动态化学键的交换速率越快[64]。Montarnal等[41]认为此类聚合物黏度降低的主要原因是动态网络拓扑结构的重排,并且黏度降低的速率和拓扑结构的重排速率呈正比,但交联网络拓扑结构自始至终都不会被完全破坏。周立生等[65]的研究表明,由于vitrimer材料的分子结构中存在共价适应网络,其黏度随着温度的升高呈现平缓下降的趋势。

Altuna等[66]将环氧化大豆油(ESO)与柠檬酸(CA)水溶液交联,CA在水中解离产生的质子作为催化剂,生成均匀透明的聚合物网络,该网络可在热驱动下表现出应力松弛和自愈的特性。Denissen等[44]报道了一种基于乙烯基PU转氨反应的vitrimer,图 4为乙烯基PU的转氨反应示意图,在适宜的温度下使乙烯基PU发生转氨基反应,然后通过环己烷-二甲醇-双乙酰乙酸酯、间二甲苯二胺和三(2-氨基乙基)胺的本体聚合,得到Tg高于80 ℃的聚(乙烯基氨基甲酸酯)网络,该材料的松弛时间从130 ℃的550 s缩短至170 ℃的85 s,连续循环研磨、压缩成型4次后几乎不会产生显著的机械或化学降解。

图 4 乙烯基PU的转氨反应[44] Fig.4 Transamination reaction of vinylogous PU[44]

Romano等[67]利用DNA序列不同功能单元间的相互结合,设计并合成了具有自我修复和应力释放特性的凝胶网络(DNA-vitrimer)。Hao等[68]利用Zn2+作为催化剂,通过改性硫酸盐木质素(L-COOH)和聚(乙二醇)二缩水甘油醚(PEG-环氧树脂)的固化反应,制得一种可修复且易去除的涂层。Obadia等[69]将聚(1, 2, 3-三唑)烷基化后与一系列双功能交联剂进行交联,制得离子含量较高的离子传导vitrimer。张宏[70]制备了环氧树脂vitrimer,通过实验发现随着温度的上升,其酯交换反应速率加快,材料的自愈性能提高,可塑性增强;当温度低于Tv时,认为酯交换反应由于反应速度过慢而不再发生。Brutman等[71]开发了一种在140 ℃下特征松弛时间小于50 s的聚乳酸vitrimer,断裂的聚乳酸vitrimer在压缩自愈后的最佳断裂伸长率、拉伸强度和拉伸模量分别是自愈前样品的67%、102%和133%。Huang等[72]将一种新型的C—N烷基转移反应引入弹性体复合材料的界面中,并采用机械复合和热压法制备了力学性能良好的复合材料,C—N烷基转移反应使该复合材料在高温下具有较好的延展性和可重塑加工性。

Snyder等[73]通过碳转移交换反应开发了羟基功能化的聚碳酸酯(PC)-vitrimer,其合成反应如图 5所示,PC-vitrimer形成的聚合物网络具有极强的可修复性和优异的耐久性。Han等[74]将两种超支化环氧树脂预聚物与丁二酸酐反应,在无催化剂的条件下制备了具有快速应力松弛和优异自愈合性能的环氧vitrimer,通过对比不同样品在相同位置处的裂纹自愈情况,发现所制备的超支化环氧vitrimer能够更快地修复裂纹。Du等[75]提出了一种基于紫外光诱导二硫键交换反应的可逆表面功能化和图案化方法,其交换反应如图 6所示,该方法可用于擦除或修改现有表面图案,从而开发“智能”的多功能表面。

图 5 PC-vitrimer的合成[73] Fig.5 Synthesis of the PC-vitrimer[73]
图 6 紫外光诱导的二硫键交换反应[75] Fig.6 UV-induced disulfide bond exchange reactions[75]

Röttger等[76]基于硼酸酯的交换反应,使带有马来酸酐的苯硼酸酯和PE在无催化剂下反应,制备了PE-vitrimer,首次得到RvXLPE,有效提高了PE的耐热和耐蠕变等性能;此外,作者还对聚甲基丙烯酸甲酯-vitrimer(PMMA-vitrimer)和HDPE-vitrimer进行了黏附试验,结果如图 7(a)所示,PMMA-vitrimer双搭接接头样品在接触10 min时表现为黏合失效,在接触20 min时表现为整体失效;对结果进行分析可知:vitrimer之间的交换反应会在界面处形成共价桥,以此进一步增加黏附力,如图 7(b)所示,当接触时间为20 min时vitrimer聚合物之间的附着力超过PMMA之间的附着力,导致PMMA整体断裂。Caffy等[77]将带有氮氧自由基的苯硼酸酯和HDPE混合,通过一步法制备了PE-vitrimer,并在接近200 ℃下验证了其重塑加工性,但是在200 ℃以上热不稳定的烷氧基胺键易完全解离,从而丧失了PE分子链间的动态共价键,因此重塑加工的温度窗口极窄。Tretbar等[78]设计了硅醚复分解反应,并在催化剂的作用下应用于乙烯-乙烯醇共聚物,制备了具有优异热稳定性的vitrimer,该材料可在150 ℃实现模压重塑成型。

图 7 黏附试验结果及vitrimer分子界面的共价桥[76] Fig.7 Adhesion test results and covalent bridges at the vitrimer molecule interface[76]

对于基于缔合交换型共价键形成的动态交联网络,随着温度升高,化学键的完全解离是不可避免的,例如酯键在高于250 ℃时会逐步解离,这也是聚合物材料热降解的原因之一。因此,理论上缔合交换型动态化学键随外物理场强度的变化会逐次出现“稳定存在—动态交换—完全解离”这3个响应阶段,各响应阶段的动态共价键对交联网络拓扑结构和分子链热运动的作用机理不尽相同,有待进一步深入研究。

3 总结与展望

目前,以XLPE为代表的交联废旧料的回收方法均存在着不可避免的局限性,例如,粉末化填料回收法中XLPE的添加量受限,其最终制品与热剪切塑化回收法所得的重塑制品均有性能不稳定的缺陷;超临界流体处理回收法的工艺复杂,成本较高;超声波辅助挤出回收法的生产效率低,难以实现产业化推广等。而RvXLPE的研究尚处于实验室阶段,距离产业化应用仍较远。因此,开发交联PE废旧料回收的新技术势在必行。

近年来可逆交联技术的快速发展为解决交联高分子的回收问题提供了一种可行性方案。目前,以聚烯烃为代表的可逆交联技术的研究主要集中在呋喃-双马来酰亚胺的DA体系和vitrimer聚合物的制备方面。但是呋喃-马来酰亚胺体系的反应须在溶剂中进行,借助紫外光引发,且硫醇气味大,难以实现大规模工业应用;而vitrimer聚合物在很大程度上依赖化学键的反应速度,因此需要长时间的热处理,同时会牺牲材料的力学性能[58]

针对上述问题,今后交联PE回收的发展方向为:(1)开发以XLPE为代表的不可逆交联料的回收方法。例如,在保证制品性能的前提下研发XLPE粉末填充量高于50%的填料回收技术;更新超临界流体处理回收法和超声波辅助挤出回收法的设备和技术,使得设备成本和回收率能够被市场所接受;(2)研究RvXLPE新的制备方法并着力推广其产业化应用。在保证产量及安全的前提下缩减反应时间、降低能耗以及减少副产物的生成;(3)开发工艺简单、易于实现工业化生产的热可逆交联技术,以便获得兼具优良理化性能和经济性的热可逆交联高分子材料。

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