一种环保的塑料回收利用新技术.docx

一、引言

自第二次世界大战首次使用塑料以来，其因价格低廉、高性能、低密度和易加工等优点得到广泛应用，极大地改变了现代生活。然而，最近情况发生了改变，曾经“高值”的塑料不再被认为是金属基材料的轻质化替代。相反，由于良好的化学稳定性导致了严重的后处理问题，塑料被认为是环境污染源之一。目前已经有大量组织表达了对海洋塑料污染的担忧，并指出处理废弃塑料污染问题的难度。其中，由于对环境和人类健康的潜在残留危害，自2020年起，一次性塑料餐具和包装在中国海南省被禁止使用。

尽管多地已采取措施，限制塑料使用，用以解决塑料污染问题，但收效甚微。除此之外，这种限制增量的方式也无法解决目前已经被生产且正在服役中的塑料所造成的污染问题。据报道，目前全球未经妥善处置的废弃塑料存量高达57亿吨，造成了严重的环境负担。因此，如何处理如此大量的废弃塑料存量成为学术界和工业界共同面对的难题。

目前，废弃塑料的回收再利用备受关注，原因是该方法可以完美解决这一全球性环境问题。然而，考虑到大多数聚合物之间相容性较弱，如何使不相容的聚合物共混物增容，为高质高效回收再利用带来了巨大的挑战。例如，作为生产量和使用量最大的常规塑料，废弃聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）的高值回收再利用一直以来都是业界关注的重点。虽然PP和PE具有相似的化学结构，但由于它们之间存在较大的分子量、分子量分布和晶体结构的差异，使得两者简单共混时出现严重的相分离现象，从而导致较差的力学性能。尽管已经有大量关于通过调控PP和PE相容性以提升其界面强度来实现共混物性能增强的研究，但是至今为止，回收废弃混杂PP和PE的最好方法仍为分选或者添加相容剂。

尽管将混杂废弃物分拣成单一组分的废弃聚合物在工业中被广泛应用于废旧塑料回收，但是这种方法不仅成本较高而且效率低下。由于分选成本过高且可行性不佳，在各种塑料再生技术中，将多组分废弃塑料与相容剂混合增容被认为是解决废弃塑料污染的另一途径。在这一领域，目前已经取得了显著的成果，多种相容剂被研究人员合成以提升PP和PE的相容性，从而实现混合物增容。最近，通过针对性合成PP/PE嵌段共聚物，实现了PP/PE合金的高效增容和性能强化。尽管取得了一些进展，但这些添加剂高昂的成本、潜在的毒性以及实验室小规模制备的低效率仍然限制了废旧塑料规模化回收。因此，高效且环保地制备高性能的PP/PE合金仍极具挑战。此外，根据目前学界对不相容聚合物增容机制的理解，化学添加剂是必不可少的。然而，考虑到工业可行性以及环境友好性，采用物理手段制备高性能PP/PE合金相比化学手段来说更有益处。

为了能够通过物理手段制备高性能PP/PE合金，我们从中国古老手工技术中获得了灵感。作为中国明代著名的科学先驱，宋应星在《天工开物》中介绍了多种传统的日常制造技术，其中详细介绍了中国古法榨油的过程，即对大豆施加循环瞬时压力从而得到大豆油。受到该方法的启发，我们尝试在聚合物共混物中引入循环瞬态压力，从而实现对制品结构和性能的精准调控。在本文中，PP和PE被选择作为研究对象来探究循环瞬态压力的影响。如图1所示，我们提出了一种可用于工业规模化生产的瞬态应力加工（ISTSP）新技术，通过自制的偏心转子挤出机（ERE）产生循环瞬态压力，在无需任何添加剂的条件下实现PP/PE物理合金化。ERE的详细说明见附录A中的图S1。

图1.基于ISTSP技术的PP/PE物理合金化示意图。

二、实验部分

（一）原料

PP的牌号为FC801（中国石油化工股份有限公司生产），熔融指数（MFI）为8.0g·(10min)-1（230℃,2.16kg,ASTMD-1238）。PE的牌号为HMA-025（德国埃克森美孚公司生产），MFI为8.2g·(10min)-1（190℃,2.16kg,ASTMD-1238）。所有材料均未作任何处理。

（二）基于ERE的PP/PE共混物制备

在加工之前，PP和PE粒料均采用真空烘箱进行干燥以去除其中可能存在的水分。随后按照50/50的质量比混合后加入挤出机喂料口。实验过程中，挤出机从进料口到口模的温度分别设置为140℃、220℃、220℃、215℃，挤出速度保持为50r·min-1，口模为1mm厚的片状模头，冷却方式为冷却水冷却。为了研究在平行于挤出方向（MD）和垂直于挤出方向（TD）上结构的区别，分别沿着MD和TD方向进行扫描电子显微镜（SEM）样品的切割制备。

（三）基于剪切流变的PP/PE共混物制备

为了对比ISTSP技术与传统挤出成型技术的区别，采用剪切流变仪[德国Brabender密炼机（MIX）]进行对照组样品的制备。与ERE样品的制备方式一致，在共混前，PP和PE粒料采用真空烘箱进行干燥，然后以50/50的质量比进行混合后加入密炼机进行共混。密炼机加