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  自上世紀(jì)以來(lái)，合成高分子材料憑借高性能、低成本的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于包裝、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。然而，其大規(guī)模使用也催生了“一次性文化” - 全球每年數(shù)百萬(wàn)噸塑料垃圾流入海洋與土壤，威脅生態(tài)安全。如何設(shè)計(jì)高性能、易加工且環(huán)境友好的高分子材料，解開(kāi)圍繞塑料污染的復(fù)雜難題？

  為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，南方科技大學(xué)陳忠仁教授團(tuán)隊(duì)提出高分子材料設(shè)計(jì)范式的轉(zhuǎn)變 - 致力于構(gòu)建真正可持續(xù)的高分子材料，強(qiáng)調(diào)高分子材料設(shè)計(jì)應(yīng)從高分子物理的基本原理出發(fā) - 從鏈尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)鍵工程，遵循“制備-加工-應(yīng)用-循環(huán)”一體化策略，整合“性能優(yōu)先、加工友好、循環(huán)友好”三大目標(biāo)，通過(guò)解纏高分子鏈，我們有望解開(kāi)圍繞塑料污染的社會(huì)困局，實(shí)現(xiàn)真正可持續(xù)高分子材料的綠色理想。在高分子物理基本原理的指導(dǎo)下，該文深入探究聚合物鏈尺寸、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、加工工藝與可回收性之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，為可持續(xù)材料設(shè)計(jì)提供前瞻性解決方案。探討的內(nèi)容包括：

  （1）雙峰分子量分布解耦材料的加工-性能權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能和加工性能的同時(shí)提升

  （2）鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于混合塑料增容回收和新型彈性體設(shè)計(jì)

  （3）鏈解纏突破超高分子量聚合物材料的加工瓶頸

**加工-力學(xué)性能權(quán)衡**

  聚合物材料的力學(xué)性能與其分子量息息相關(guān)，為了獲得最基本的力學(xué)性能，合成的聚合物鏈尺寸必須超過(guò)臨界纏結(jié)分子量（M_c）。在半結(jié)晶聚合物中，分子量（M_w）會(huì)影響結(jié)晶、纏結(jié)和系帶分子，從而改變材料的力學(xué)強(qiáng)度和延展性。系帶分子貫穿多個(gè)結(jié)晶域，有效地將其連接在一起。高比例的系帶分子確保了晶區(qū)的連通性，有助于提高材料的強(qiáng)度、韌性和耐久性。

圖 1. 聚合物粘度與分子量的關(guān)系

  然而，超高分子量聚合物雖然保證了優(yōu)異的材料性能，但也帶來(lái)了加工方面的挑戰(zhàn)。如圖1所示，在超過(guò)M_c的情況下，隨著分子量的增加，相互纏結(jié)的線性聚合物鏈粘度（η）急劇增加，即η ~ M_w^3.4，這顯著增加了材料的加工難度。

  這種在力學(xué)性能與加工性之間的權(quán)衡是聚合物科學(xué)中的一個(gè)普遍挑戰(zhàn)，而在聚烯烴領(lǐng)域，這種權(quán)衡尤為突出。作為最廣泛使用的合成聚合物之一，聚烯烴（如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP））體現(xiàn)了材料性能與可加工性之間平衡的重要性。例如，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維因其高結(jié)晶度和高系帶分子，展現(xiàn)出卓越的強(qiáng)度和模量。然而，聚合物鏈高度纏結(jié)導(dǎo)致的極高熔體粘度和較差的流動(dòng)性，阻礙其進(jìn)一步發(fā)展。

圖2. 聚烯烴商業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展歷程

  通過(guò)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)克服加工難題，具有廣闊的前景。如圖2所示，與線性鏈相比，具有短鏈支化（short chain branching, SCB）的聚合物，例如通過(guò)α-烯烴共聚或鏈行走聚合得到的線性低密度聚乙烯（LLDPE），對(duì)熔體的流變性能影響較小，但展現(xiàn)出更高的柔韌性和抗沖擊性。另一方面，具有長(zhǎng)鏈支化（long chain branching, LCB）的聚合物在相同分子量水平下展現(xiàn)出更低的熔體粘度和更好的加工性。然而，較高的支化密度會(huì)在一定程度上降低結(jié)晶度和力學(xué)強(qiáng)度。通過(guò)支化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)卓越的力學(xué)性能和加工性仍然是一個(gè)持續(xù)的追求目標(biāo)。

  另一種常見(jiàn)的策略是加入小分子添加劑，如成核劑、增塑劑、抗氧化劑和阻燃劑。盡管這些添加劑可以改善加工性和其他性能，但它們的化學(xué)復(fù)雜性帶來(lái)了顯著的環(huán)境挑戰(zhàn)，包括毒性、遷移性以及由于與聚合物基體相容性差而導(dǎo)致的回收挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題促使研究人員探索不依賴(lài)外部添加劑即可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似功能的替代方法。

**創(chuàng)新解決方案** 

1. 雙峰分子量分布（Bimodal MWD）  

  （1）核心突破：通過(guò)調(diào)控高分子鏈的分子量分布，如圖3所示，高分子量鏈段（HMW）主要貢獻(xiàn)材料力學(xué)性能，低分子量鏈段（LMW）可作為“內(nèi)置加工助劑”。除此之外，功能化的低分子量鏈段有潛力替代傳統(tǒng)小分子添加劑（如成核劑、增塑劑等）。  

  （2）優(yōu)勢(shì)：解決小分子添加劑相容性差、毒性遷移問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)材料加工與力學(xué)性能的雙重優(yōu)化。  

圖3. 雙峰分子量分布對(duì)成核、結(jié)晶和力學(xué)性能的影響

2. 鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Chain topology design）  

  （1）支化鏈增容回收：如圖4所示，長(zhǎng)鏈支化聚合物（如EPDM橡膠原位接枝PE和iPP）可高效增容聚乙烯（PE）/聚丙烯（iPP）共混物，推動(dòng)混合塑料的機(jī)械回收。 

圖4. EPDM橡膠原位接枝PE和iPP用于混合塑料增容回收

  （2）不對(duì)稱(chēng)嵌段共聚物順序共混：二十多年來(lái)，科學(xué)界廣泛認(rèn)為對(duì)稱(chēng)性?xún)汕抖喂簿畚镌跓崃W(xué)平衡狀態(tài)下具有最佳的增容效果。然而，如圖5所示，在動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，通過(guò)順序共混策略，不對(duì)稱(chēng)兩嵌段共聚物增容效果更佳。

圖5. 嵌段共聚物在PB/PI界面分布機(jī)理圖

  （3）多嵌段共聚物革新彈性體：如圖6所示，OBC（烯烴嵌段共聚物）與COBC（環(huán)烯烴嵌段共聚物）通過(guò)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)硫化橡膠的化學(xué)交聯(lián)，兼具彈性與熱塑性加工優(yōu)勢(shì)，支持循環(huán)利用。 鏈穿梭聚合（CSP）作為工業(yè)級(jí)合成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多嵌段共聚物的大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本并拓展應(yīng)用場(chǎng)景。  

圖6. 鏈穿梭聚合制備環(huán)烯烴嵌段共聚物（COBC）。

3. 聚合物鏈解纏（Chain untangling） 

  （1）聚合階段解纏：如圖7所示，優(yōu)化聚合溫度、壓力與催化劑，在聚合過(guò)程中直接合成低纏結(jié)超高分子量聚乙烯（UHMWPE），突破加工瓶頸。 

圖7. 負(fù)載催化劑制備低纏結(jié)聚合物示意圖

  （2）加工動(dòng)態(tài)解纏：如圖8所示，利用動(dòng)態(tài)可逆鍵在加工過(guò)程中斷裂，實(shí)現(xiàn)polymer-oligomer轉(zhuǎn)換，降低熔體粘度；加工后可逆鍵恢復(fù)，重新回到高分子量鏈段，保留材料高強(qiáng)度。  

圖8. 可逆共價(jià)鍵構(gòu)建動(dòng)態(tài)鏈解纏示意圖

**未來(lái)展望與呼吁** 

  （1）高分子材料應(yīng)遵循“機(jī)械回收優(yōu)先”策略，化學(xué)回收作為補(bǔ)充，且材料設(shè)計(jì)應(yīng)從高分子物理的基本原理出發(fā)，整合“性能優(yōu)先、加工友好、循環(huán)友好”三大原則——從鏈尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)鍵工程，實(shí)現(xiàn)真正可持續(xù)高分子材料的綠色理想。

  （2）學(xué)術(shù)界與工業(yè)界協(xié)同：推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室成果的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，縮短回收路徑。  

  （3）政策與公眾參與：提倡機(jī)械回收技術(shù)，倡導(dǎo)垃圾分類(lèi)，減少“一次性文化”依賴(lài)，共建塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

  這篇Viewpoint不僅為破解塑料污染問(wèn)題提供了科學(xué)框架，也為下一代高分子材料的可持續(xù)設(shè)計(jì)指明了新方向。通過(guò)解纏高分子鏈，我們有望解開(kāi)圍繞塑料污染的社會(huì)困局。  

**團(tuán)隊(duì)介紹**

  南方科技大學(xué)陳忠仁教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高分子物理指導(dǎo)的聚烯烴材料研究，該Viewpoint以“Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling”為題發(fā)表在《Accounts of Materials Research》上。論文的通訊作者為陳忠仁教授，第一作者是南方科技大學(xué)碩士研究生孫志強(qiáng)。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3800702，2021YFB3800705），國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（22075124），深圳市基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目（JCYJ20190809115013348, JCYJ20210324103811030）和廣東省催化化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2020B121201002）的資助。

  原文鏈接：Sun, Z.; Dong, Z.; Yu, F.; Feng, S.; Chen, Z.-R. Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling. Acc. Mater. Res. 2025, ASAP.

  https://doi.org/10.1021/accountsmr.5c00057