Compatibilization of LDPE/PP Waste Blends Using Acrylamide-Functionalized Phenol- Formaldehyde

每天，世界都在产生大量的废弃塑料，其中很大一部分来自包装薄膜、容器和家用物品。在这些废弃物流中最常见的两种材料是低密度聚乙烯和聚丙烯。虽然这些材料在化学性质上非常相似，即它们都是非极性塑料，但它们在熔融混合时表现得截然不同。想象一下试图将油和水混合在一起；无论你如何搅拌，它们都会分离成清晰的层次，而不是形成单一、均匀的液体。在回收领域，这种分离是一个主要的障碍。当这两种塑料在没有帮助的情况下熔合在一起时，会形成一种脆弱、易碎的材料，在压力下容易破碎，使得这种混合废料无法用于制造新的、坚固的产品。这种根本性的不相容性意味着，混合塑料废料往往最终只能进入填埋场或焚烧炉，尽管如果能让它们协同工作，其单个组分本可以具有很高的价值。

研究人员长期以来一直在寻找一种弥合这一差距的方法，即一种能够迫使这两种顽固塑料结合并发挥单一、凝聚材料作用的方法。来自阿塞拜疆和法国的一个科学家团队现在展示了一种极具前景的解决方案，即使用一种专门设计的化学添加剂。他们的工作重点在于，通过使用一种被称为丙烯酰胺功能化苯酚甲醛低聚物的定制物质，来处理含有低密度聚乙烯和聚丙烯的未分类废料。这种添加剂充当了中介，在化学上向这两种类型的塑料延伸，将它们紧紧结合在一起。其结果是将一种存在问题的混合废料流转化为一种强韧、高性能的材料，使其可以被再次加工和使用。

这段旅程始于从阿塞拜疆苏姆盖特的一家当地聚合物设施获取的原材料。研究人员从废弃的低密度聚乙烯和聚丙烯颗粒开始，将其切割成均匀的小块，以确保它们能够均匀混合。在进行任何混合之前，这些塑料颗粒在烘箱中经过彻底干燥以去除水分，这是防止熔融过程中出现缺陷的关键步骤。实验的核心在于创造一种新型相容剂，即一种旨在改善这两种塑料之间关系的物质。团队通过在苯酚甲醛树脂（一种常用于粘合剂和涂层的聚合物）的结构中连接丙烯酰胺基团，合成出了这种添加剂。这种化学改性并非随机进行的；它是经过精心设计的，旨在创造出一种能够与聚乙伦和聚丙烯的特定化学性质进行有效相互作用的分子。

为了确保这种新添加剂能在工业回收的严苛条件下生存，团队首先测试了其热稳定性。他们加热材料以观察其开始分解时的临界点。结果显示，该添加剂在高于190摄氏度的熔融温度下仍保持完全稳定。它既没有蒸发也没有过早分解。相反，它保持了结构的完整性，准备好履行其将两种塑料结合在一起的职责。化学分析证实，丙烯酰胺基团已成功附着在树脂骨架上，从而创造出一个具有合适官能团的分子，作为两种不相容聚合物之间的桥梁。

在添加剂准备就绪并得到验证后，研究人员进入了混合阶段。他们使用一台模拟工业挤出过程（即用于熔融和塑形塑料的过程）的小型机器，将废塑料与这种新添加剂进行混合。他们使用了百分之五十低密度聚乙烯和百分之五十聚丙烯的固定比例，添加剂的添加量在总重量的百分之二到百分之八之间。混合物被加热到190摄氏度，并通过螺旋机构进行剪切和混合。这种反应过程允许添加剂在材料处于熔融状态时与其发生相互作用，在两种材料相遇的界面处建立化学联系。

最显著的成功证据来自于对所得材料的微观结构观察。当研究人员在强大的电子显微镜下观察未经处理的混合物时，图像呈现出一个粗糙、混乱的景观。两种塑料分离成了巨大的、明显的“岛屿”，带有锯齿状的边界以及可见的间隙。这些间隙是材料容易开裂的薄弱点。相比之下，含有这种新添加剂的样品展现出了完全不同的景象。那些粗糙、分离的区域消失了，取而代之的是一个平滑、连续的表面，两种塑料在其中紧密混合。它们之间的边界变得模糊不清，材料看起来像是一个单一、统一的物质，而非两种物质的混合体。这种视觉上的变化表明，添加剂成功降低了层与层之间的张力，使它们能够紧密粘合并有效地共同承担应力。

进一步的测试证实，这种结构上的变化转化为了实际的物理性能提升。当团队测量材料在熔融状态下的流动性时，他们发现了一个显著的变化。未经处理的废塑料流动性很好，像稀薄的蜂蜜一样，这是弱连接混合物的典型特征。然而，经过改良的混合物流动速度明显变慢，且阻力更大。这种粘度的增加表明，分子不再是自由地相互滑动，而是被新形成的化学连接紧紧束缚在一起。材料变得更厚实、更具凝聚力，这是结构增强的迹象。

混合物的热行为也发生了指向更好整合的变化。当未经处理的塑料被加热时，它们在两个不同的温度下熔融，清楚地表明它们是作为两个独立的实体在起作用。低密度聚乙烯在110摄氏度左右熔融，而聚丙烯在接近165摄氏度时熔融。然而，经过添加剂处理的混合物表现出更统一的熔融模式。它不再有两个尖锐、分离的峰值，而是呈现出一个单一、较宽的熔融范围。这种转变表明，两种聚合物相互作用如此紧密，以至于它们开始共同组织，这种现象被称为“共结晶”，是兼容性的强有力指标。

新材料的耐久性也通过加热直至烧尽进行了测试。未经处理的废料留下了一小部分残留物，约为1.0 wt% 的炭化残渣，而不是完全变成气体。然而，含有添加剂的混合物留下了显著更多的固体残渣。随着添加剂量的增加，这种保护性残渣的量也随之增长，在添加量最高的样品中达到了7.9 wt%。这种炭化现象表明，添加剂在塑料内部创建了一个更稳定的交联网络，该网络能够承受更高的温度并抵抗过快分解。

最后，研究人员测量了材料的密度，以观察分子排列的紧密程度。未经处理的废料密度较低，表明在两种塑料未能接触的地方存在微小的空隙和缝隙。经过改良的混合物密度始终较高，这表明添加剂将材料推向了更紧密的状态，消除了这些空隙，创造了一个更致密的固体结构。这种致密化过程，结合改进的流动阻力和热稳定性，描绘了一幅清晰的图景：该材料已从一种脆弱、分离的混合物，被根本性地升级为一种强韧、集成的复合材料。

研究结论指出，这种方法为回收混合聚烯烃废料提供了一条可行的路径。通过使用定制的添加剂来迫使这些不相容的塑料结合，研究人员证明了将未分类塑料废料转化为结构稳固的热塑性材料是可能的。这种方法绕过了昂贵且耗时的分离过程，将一种棘手的废料流转变为可用于高性能应用的资源。研究结果表明，通过适当的化学干预，可以克服混合塑料回收的局限性，为实现更可持续和高效的塑料资源利用铺平道路。