迈向循环经济：将PET和脂肪二胺衍生物升级转化为可回收的、不含异氰酸酯的聚（酯-聚氨酯）

《European Polymer Journal》：Toward a circular economy: Upcycling PET and fatty diamine derivatives into recyclable non–isocyanate poly(ester-urethane)s

循环聚酯-聚脲酯共聚物（NIPEUs）的制备及其可循环性研究。采用化学回收PET得到的PET-PD与生物基PRI-HD共聚，成功制备含58-78%可再生成分的NIPEUs，FT-IR和NMR表征其结构，SEC显示数均分子量19,000-30,400 g/mol，DSC和TGA表明其热稳定性和结晶性随组分变化。经105℃三次热机械再加工后，NIPEU_1力学性能保持率超过95%，验证了闭环循环材料的可行性。

　　在当今社会，塑料污染已成为一个全球性问题，特别是在包装、纺织和汽车工业等领域，其高产量和难以降解的特性使得塑料废弃物的处理面临巨大挑战。为了应对这一问题，研究者们致力于开发具有可再生性和可回收性的新型材料，以实现塑料生命周期的闭环管理，减少环境负担。本文探讨了一种基于化学回收的非异氰酸酯聚氨酯（NIPEU）的合成方法，其在可再生性、可回收性以及机械性能方面均展现出显著优势。

### 1. 可再生材料的开发背景

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种广泛使用的合成材料，因其非毒性、高强度和良好的阻隔性能而被广泛应用于纤维、薄膜、一次性包装和饮料瓶等产品中。然而，PET制品通常具有较短的生命周期，并且由于其高热稳定性，难以通过传统的物理回收方式实现有效的降解和再利用。这种特性导致PET废弃物在陆地和水生生态系统中大量积累，对环境造成严重危害。因此，为了减少PET废弃物对环境的影响，研究者们正在探索通过化学回收技术将PET转化为可再利用的化学物质，并将其用于合成新型材料。

在这一背景下，非异氰酸酯聚氨酯（NIPEU）作为一种替代传统聚氨酯（PUR）的材料，受到了广泛关注。NIPEU通常由可再生原料合成，如脂肪二胺和可再生二醇，从而避免使用有毒的异氰酸酯单体。然而，大多数现有的NIPEU合成方法仍依赖于化石燃料来源的原料，缺乏足够的可再生性，同时其机械性能和热稳定性也存在不足。因此，本研究旨在开发一种高可再生性、可回收性且具有良好机械性能的NIPEU材料，以满足可持续发展的需求。

### 2. 材料合成与结构分析

本研究采用了一种基于PET化学回收的非异氰酸酯聚氨酯合成方法，通过将PET回收的聚对苯二甲酸五亚甲基二醇（PET_PD）与脂肪二胺衍生的氨基甲酸酯二醇（PRI_HD）结合，合成了一种新型的NIPEU材料。PET_PD是一种由PET回收所得的芳香族聚酯二醇，其具有较高的刚性和热稳定性，而PRI_HD则提供较大的柔性，从而改善材料的可加工性和机械性能。通过调整PET_PD与PRI_HD的摩尔比，可以实现对材料性能的精确调控，使最终产品具备较高的可再生性（58–78 wt%）和良好的机械性能。

为了验证合成材料的结构，研究者们采用了多种分析手段，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振光谱（NMR）和凝胶渗透色谱（SEC）。这些分析结果表明，PET_PD和PRI_HD的结合成功地构建了具有酯基和氨基甲酸酯基的酯-氨基甲酸酯共聚物，其分子量范围为19,000–30,400 g·mol?1，显示出良好的分子量增长。此外，热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）进一步确认了材料的热稳定性，其中PET_PD表现出较高的热分解温度（T?%和T??%分别为370°C和378°C），而PRI_HD则因含有不稳定的氨基甲酸酯键，表现出较低的热稳定性（T?%为178°C，T??%为233°C）。

### 3. 材料的热力学与机械性能

研究结果表明，PET_PD的引入显著提高了材料的刚性、机械强度和热稳定性，而PRI_HD则增加了材料的柔性和非晶性。半结晶的NIPEU表现出最佳的机械性能，而非晶材料则更柔软但韧性较低。通过调节PET_PD与PRI_HD的比例，可以控制材料的结晶度和热性能，从而满足不同应用场景的需求。

例如，NIPEU_1在3次低温度（105°C）再加工测试后，其机械性能仅略有下降，显示出良好的耐久性。这种特性对于实现材料的闭环回收至关重要，因为这意味着材料在多次再加工过程中仍能保持其结构完整性，从而减少塑料废弃物的产生。此外，材料的热性能也被优化，使其能够在较低的温度下进行再加工，从而降低能耗并减少热降解的风险。

### 4. 材料的再加工性能

材料的再加工性能是其可持续性的重要指标之一。本研究通过三次低温度再加工测试，验证了所合成NIPEU材料的可回收性。在每次再加工过程中，材料的机械性能均保持良好，特别是NIPEU_1在3次测试后，其拉伸强度和断裂伸长率仅略有下降，表明其具有优异的热力学再加工能力。这种性能不仅减少了塑料废弃物的产生，还降低了再加工过程中的能源消耗，从而符合绿色化学和循环经济的原则。

此外，材料的再加工过程并不依赖于有毒的有机溶剂，这进一步降低了其对环境的负面影响。通过使用高纯度氮气作为保护气体，以及在反应过程中通过减压和氮气流去除低分子量副产物，实现了对环境友好的合成路径。这种策略不仅提高了材料的可再生性，还为未来的工业应用提供了可行的解决方案。

### 5. 环境与经济效益的平衡

在追求可持续性的同时，研究者们也关注了材料的经济可行性。传统化学回收方法虽然能够获得高质量的产物，但通常需要较高的成本和复杂的工艺流程。相比之下，本研究提出的方法不仅减少了对有毒试剂的依赖，还提高了原料的利用率，使合成过程更加高效和环保。

此外，材料的可回收性也为其在工业中的应用提供了重要支持。由于其能够在较低温度下进行再加工，因此降低了再加工过程中的能源消耗，提高了整体的经济效益。同时，通过回收和再利用低分子量副产物，如乙二醇和己二醇，进一步减少了废物的产生，推动了闭环材料生命周期的发展。

### 6. 应用前景与挑战

本研究开发的NIPEU材料具有广泛的潜在应用前景，特别是在需要高机械性能和良好热稳定性的领域，如生物医学、汽车和建筑行业。其高可再生性也使其在减少对化石燃料依赖方面具有重要意义，有助于降低碳排放并推动绿色制造的发展。

然而，该材料的广泛应用仍面临一些挑战。首先，尽管其在多次再加工后仍能保持较好的性能，但其在某些极端条件下的耐久性仍需进一步研究。其次，虽然材料的合成过程较为环保，但在实际工业应用中，如何实现大规模生产并保持成本效益仍是一个关键问题。此外，材料的长期性能稳定性，特别是在高温和高湿环境下的表现，也需要进一步验证。

### 7. 结论

本研究成功开发了一种高可再生性、可回收性且具有良好机械性能的NIPEU材料，其合成过程避免了异氰酸酯单体和有毒溶剂的使用，符合绿色化学和循环经济的原则。通过调节PET_PD与PRI_HD的摩尔比，研究者们实现了对材料性能的精确控制，使其在多种应用场景中具备竞争力。此外，材料的低温度再加工特性使其在减少能耗和降低环境影响方面具有显著优势。

总体而言，这种新型NIPEU材料为塑料废弃物的处理提供了一种创新性的解决方案，有助于实现材料的可持续生产和再利用。未来的研究可以进一步优化其合成工艺，提高生产效率，并探索其在不同环境条件下的长期性能表现，以推动其在实际应用中的推广。