【材料科技】「不小心」發現的可回收塑膠

■塑膠,一個再普遍不過的材料,從每天生活中會用到的袋子、杯子或是外帶便當用的餐具,到高科技的航太工業或精密電子產品,處處可見塑膠的蹤跡。Jeannette García博士,一位在美國聖荷西IBM Almaden研究中心的研究員,竟然因為忘記清理某些化學反應物,讓這些化學物質放置在桌上任其反應而意外發現了一種新穎可回收的熱固性高分子聚合物(thermosetting polymer)。這個新穎材料有可能讓未來的汽車、電子產品甚至是飛機更節能、更環保。

The second group of new plastics are elastic, self-healing gels
The second group of new plastics are elastic, self-healing gels

編譯|方程毅

一般來說高分子聚合物(polymer)都是由小分子的單體(monomer)聚合而成,聚合物依其性質分為兩大類:熱塑性聚合物(thermoplastic)及本文即將介紹的熱固性聚合物。熱塑性聚合物可以經由加熱軟化,而使其再次具有可塑性;相反的,熱固性聚合物一旦成形之後,便很難再次塑造或改變形狀,雖然熱固性聚合物都會有較佳的耐熱性、抗腐蝕及不易磨損等性質,但不易回收卻是一項難以克服的問題,尤其當今環保意識抬頭,如何回收再利用便是一個重要的研究方向。

Jeannette García博士這次發現的材料為利用多聚甲醛(paraformaldehyde)及ODA (4,4ʹ-oxydianiline)在低溫環境下縮合聚合(low-temperature polycondensation)形成一種特殊的共價鍵網絡稱為HDCNs (hemiaminal dynamic covalent networks),而這個網絡可以再經由高溫結晶而成另一種材料稱為PHTs (poly(hexahydrotriazine)s)。HDCNs及PHTs皆為含氮熱固性聚合物(Nitrogen-based thermoset polymers),但不同於其他熱固性聚合物,當HDCNs及PHTs遇到PH值小於2的酸性環境時,會還原回單體,也就是說這個聚合物可以經由回收重新聚合及塑形,這無疑是材料領域上的重大突破,因為工業的需求往往會因為需要較佳的機械性質或穩定的化學性質而犧牲了材料的再塑性或是無法將其回收再利用,造成浪費及汙染。但HDCNs及PHTs卻同時具備極佳的抗腐蝕性、能忍受環境中各種不同的應力及回收重複利用的優點。這項意外的研究也很意外地登上2014科學《Science》期刊。

García博士談到,當他發現桌上的圓底燒瓶裡有這麼一個奇怪的材料時完全猜不透那是什麼東西,而且他必須要用鎚子把燒瓶打破才有辦法把它取出來。García博士表示:「這完完全全是偶然。我做的第一件事就是立馬找尋以前的文獻,看看有沒有人提及過?我覺得這應該不是第一次被發現。」但事實上還真的沒有人發現過它。也因為這是一項偶然的發現,他們必須重複製造這個材料並研究其性質。García博士也說:「我們浪費了很多錐形瓶。」這個新材料非常硬卻又很輕,因此有機會應用在汽車或航太工業上。例如著名的空中巴士A350 jet已有50%由這類型高強度熱固性聚合物及碳纖維組成的複合材料製造而成。

由於這個材料最獨特的地方就是可回收重複利用,這也是第一個被發現可以回收的熱固性聚合物,因此IBM研究團隊的負責人James Hedrick博士表示這種塑膠將省下可觀的金錢並減少大量廢棄物。英國布里斯托爾大學(University of Bristol)的化學家Charl Faul博士也說:「這個材料在未來無疑會有巨大的影響力,這項研究提供了簡單的方法解決一個古老卻又難以克服的問題。」

James Hedrick博士更說:「我們不只是想取代現有的熱塑性聚合物,當一個新的化學反應被發現時,我們就更有機會發展不同型態的材料。要應用在哪方面就如同水流一樣的不可預測性一樣,在當下,你永遠不會知道新材料會應用到哪個領域去。」意外發現的材料或許又意外的為另一個全新研究領域開啟一扇窗了。

References
1.BBC NEWS http://www.bbc.com/news/science-environment-27424318
2.García, J. et al. Science, 344, 732 (2014).
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編譯:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:Kerina Huang

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