近日，大連理工大學教授劉野等首次實現了羰基在聚酮鏈中的宏觀均勻分布，讓材料性能實現"按需訂制"，成功實現聚乙烯與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。相關成果發表在《美國化學會志》上，并被選為封面文章。
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。它強度高、耐化學腐蝕，但有個致命缺點：加工溫度高達252℃，幾乎無法熔融成型，更遺憾的是，傳統合成方法只能得到嚴格交替的鏈結構，限制了材料設計的靈活性。每年，全球產生超過3億噸塑料垃圾，其中聚乙烯和尼龍因化學性質差異難以混合回收，最終淪為填埋場或海洋污染物。如何將這兩種“水火不容”的塑料轉化為高性能材料成為研究的重要方向之一。
本研究中，團隊實現了羰基在聚酮鏈中的宏觀均勻分布，讓材料性能實現“按需訂制”，制備了同時含有極性和非極性結構的高分子拉鏈，成功實現聚乙烯與尼龍的高效兼容，為混合塑料回收開辟新路徑。研究團隊開發了一套“智能調氣”技術，像精準調節油門一樣控制氣體比例。在反應開始時：乙烯和一氧化碳按9:1的比例通入，幫助材料形成特定骨架；而在反應過程中，實時調整為3:2，讓兩種氣體消耗速度匹配。最終獲得的聚酮材料結構均勻，徹底解決了傳統方法產物“分層”的問題，并且能通過調整氣體比例，自由控制材料中羰基的含量，實現材料性能的按需定制。
通過全面的結構分析發現，該新材料具有獨特的“長短鏈交替”架構：短極性段可以與尼龍形成氫鍵結合，而長非極性段可以誘導聚酮與聚乙烯的共結晶。這種結構像“分子拉鏈”，同時完美匹配聚乙烯和尼龍的特性需求，使原本不相容的聚乙烯和尼龍在微觀層面緊密結合，就像在原本互不相容的油和水界面，加入表面活性劑，使其完美結合。因此，復合材料抗沖擊強度提升3倍，斷裂伸長率從42.9%躍升至437%。
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制，通過“長程無序-短程有序”的鏈結構設計，打破了傳統交替共聚的局限，證明非交替結構不是缺陷，而是性能調控的新維度，就像為聚乙烯和尼龍搭建了分子拉鏈橋梁，讓它們在界面處“握手言和”。此外，該非交替共聚反應是均相聚合反應，沒有淤漿聚合反應釜結垢的問題，金屬催化劑更容易回收利用，反應最高的轉化數可達~7 kg PK/g Pd，非常容易工業放大。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c09549