当前时代，有很大一部分塑料都是通过掩埋的方式进行销毁，如何为原本会被填埋的塑料寻找新的回收利用方案需要创新的化学方法。现在，尿布废料中的聚（丙烯酸）已通过具有成本效益和环境竞争力的开环回收方法转化为有价值的压敏粘合剂。

【尿布回收的意义】

一次性尿布和月经用品是现代高分子科学与工程的奇迹，为人们增添了许多的方便。尽管尿布与月经产品似乎是个人护理中是极其常见的，但他们的选择对一个人的环境足迹有着深远的影响。在美国，大约95%的幼儿选择了一次性纸尿裤；每块尿布只能使用几个小时，而一个孩子在早年通常会使用6000多块。虽然确实存在可重复使用的布替代品，但清洗和消毒它们也会对环境产生重大的负面影响。

由于尿布和月经用品的市场巨大，大量公司会把数十亿美元的研发资金投入到提升产品的触感、手感和性能中。然而，在回收利用这方面还没有进行类似的投资。因此，仅在美国，每年就有300万吨尿布被填埋。幸运的是，已经开发出新兴技术来区分一次性尿布中不同的材料类别——即纤维素基材料与塑料。虽然纤维素成分可以焚烧、生物降解或发酵，但缺乏广泛的基础设施和经济激励措施阻碍了更全面的回收利用。现在，已有文献报道如何将最难再加工或再利用的尿布成分——超吸收聚合物(SAP)——转化为压敏粘合剂，常用于各种产品，如便利贴、信封、标签和胶带。

图 1.尿布与月经棉产品中的成分

【尿布回收的挑战】

SAP是尿布的高价值成分，可吸收高达自身重量100倍的液体。它们由聚（丙烯酸）热固性材料制成，该热固性材料源自廉价的石油原料。SAP对回收提出了技术挑战，特别是由于其化学稳定的碳氢化合物主链、难以进行机械加工的聚酯交联网络，以及——使它们在尿布中如此有价值的特性——它们的吸水倾向。这些特性以前对传统回收技术提出了无法克服的挑战，其中塑料通过机械方法从废品中再加工，并重新制造成相同或更低价值的产品。

近期，科学家们经过在聚合物科学领域的努力，终于探索出了消费后塑料机械回收的替代方案。开环回收或升级回收的概念是一种有吸引力的方法，可以通过化学方式对塑料废物进行改性，以创造在替代应用中具有价值的新材料。因此，假设回收产品具有足够的价值并且需要与废物流相称的规模，开环回收可以为回收创造经济激励。升级回收方法对SAP尤其有吸引力，因为它们的丙烯酸聚合物主链是各种高价值聚合物产品的共同主体。Anne J. McNeil及其同事开发的方法将SAP重新用于压敏粘合剂；该工艺还在许多关键环境指标上胜过从石油原料合成这些材料的传统方法（图2）。

图2.a，高吸水性聚合物(SAP)由聚（丙烯酸）热固性塑料制成，不适合机械回收。b，热固性塑料的水解提供了聚（丙烯酸）热塑性塑料，其使用疏水醇酯化以形成聚丙烯酸酯材料。c，源自升级回收SAP的聚丙烯酸酯显示出作为通用压敏粘合剂(PSA)的潜力。d，生命周期评估表明，源自SAP的压敏粘合剂在许多关键环境参数方面优于当前的商业路线，包括全球变暖潜势（原始PSA=25.8与升级回收的PSA=20.2 kg/kg CO2当量）

回收SAP的第一个挑战是在温和条件下将它们从热固性塑料（其中聚合物链共价连接）转化为热塑性塑料（其机械性能来自非共价链间相互作用）。首先在碱性或酸性条件下进行聚酯交联的水解，以将SAP珠粒转化为水溶性粘弹性流体。研究人员通过生命周期分析(LCA)评估了潜在的水解策略，这是一种评估制造过程对环境的完整影响的技术。这些研究提供了一个非直观的见解：由于与酸源与碱源相关的因素，在更高温度、更长反应时间和更高浓度下进行的酸性水解实际上比碱性条件更环保。然后使用超声处理将聚（丙烯酸）链分解成较短的链段。该步骤能够系统地改变聚合物的分子量，从而实现更广泛的潜在应用。

压敏粘合剂通常由丙烯酸共聚物制成。为了将水解衍生的聚（丙烯酸）转化为压敏粘合剂，羧酸侧基需要酯化（图1c）。实现高转化率被认为是具有挑战性的，因为酯化是一个平衡过程。研究人员认为他们可以利用酯化聚合物产品的疏水性。通过计算化学的方法表明这种假设是可行的，即初始聚合物酯化会导致局部疏水环境，包括聚（丙烯酸）底物和长链醇溶剂分子，这将为持续酯化提供显著的热力学驱动力。事实上，使用长链疏水醇如2-乙基己醇和十一烷酸导致在酸催化条件下进行定量酯化。同样，当用小分子羧酸研究类似的酯化反应时，也没有观察到高转化率。

【开环回收方法的意义】

通过流变学评估所得酯化丙烯酸聚合物的性能。McNeil及其同事使用了粘弹性窗口（图3），该窗口通过比较在特定频率下对储存能量的黏性和弹性贡献来对不同的粘合剂类型进行分类。这种表征表明，源自SAP的聚丙烯酸酯适用于作为通用可移除粘合剂的应用。此外，可以通过超声处理步骤控制材料的分子量来调整这些聚合物的粘附性能。

图 3. 粘弹性窗口的可视化

最后，LCA应用于整个开环回收过程。几乎所有研究的指标都发现，将SAP从消费后尿布转换为通用粘合剂的性能优于当前使用石油原料制成的原始压敏粘合剂的商业途径。这种比较表明，如果废物流通过简单且可扩展的化学转化升级为增值产品，则开环回收过程是易于处理且有益的。

在目前的工作中，McNeil及其同事以一种创新的方式使用基础化学反应（水解、酯化）来重新利用重要但相对未开发的废物流—一次性尿布的功能成分。未来需要进一步研究以探索这种方法对具有不同脂肪族基团的聚（丙烯酸酯）材料的普遍性，以扩大这些升级循环材料的影响。尽管压敏粘合剂是一个高价值的市场，但关于这些材料的需求量与从尿布废物中提取的SAP量的问题仍然存在。尽管如此，本研究中化学决策和生命周期评估之间的相互作用促进了开环回收工艺的发展，该工艺与从石油原料直接合成原始材料相竞争。

来源：高分子科学前沿