多相形态控制：回收混合塑料废物的稳健途径

《Polymer》：MULTIPHASE MORPHOLOGY CONTROL AS A ROBUST ROUTE TO RECYCLING MIXED PLASTIC WASTE

本研究通过将回收聚丙烯（rPP）和聚乙烯（rPE）作为载体材料与混合塑料废弃物（MPW）共混，利用相分离理论实现废弃物中不同成分的自动分离。rPP/rPE界面通过添加乙烯-丙烯共聚物进行相容化处理，使MPW中的组分在熔融加工过程中稳定分离至rPP或rPE相中。实验证实该材料机械性能接近纯回收聚丙烯，且可多次循环回收而性能损失较小。

　　塑料作为现代生活中不可或缺的材料，其应用范围之广、使用频率之高，已成为全球范围内的重要议题。然而，塑料回收率却长期处于低水平，主要原因在于不同类型的塑料在废弃物中难以分离。传统回收方法通常依赖于对塑料种类的识别和分类，这不仅增加了回收成本，也限制了塑料回收的效率。因此，开发一种能够直接处理混合塑料废弃物（Mixed Plastic Waste, MPW）的回收技术，具有重要的现实意义。本文提出了一种新的回收策略，通过将混合塑料废弃物与高连续性的回收聚丙烯（rPP）和回收聚乙烯（rPE）结合，实现了一种稳定的相分离结构，从而有效提升了混合塑料废弃物的回收价值。

全球塑料废弃物的产生量在2019年达到了3.53亿吨，这一数字是二十年前的两倍。根据经济合作与发展组织（OECD）的数据，塑料废弃物的回收率仅为9%，其中72%被填埋或散落在环境中，19%则通过焚烧处理。这种情况不仅造成了严重的环境污染，也浪费了大量的资源。目前，主流的塑料回收技术多为单一组分的处理方式，这需要对废弃物进行繁琐的分类和分离操作，而这一过程往往伴随着高昂的成本和复杂的流程。因此，寻找一种能够直接处理混合塑料废弃物的方法，成为解决塑料污染问题的关键。

混合塑料废弃物主要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、苯乙烯类树脂以及聚氯乙烯（PVC）等组成。其中，PE和PP占据了超过50%的市场份额，而PET、苯乙烯类和PVC树脂则占约30%。这种成分的多样性使得混合塑料废弃物的回收变得尤为复杂。由于不同塑料之间的互不相容性，它们在熔融状态下会形成多个界面，而这些界面往往缺乏良好的粘附性，导致最终回收材料的机械性能下降。因此，如何在不进行预分离的情况下，提高混合塑料废弃物的回收质量，是当前研究的热点。

在这一背景下，研究者们开始探索新的回收策略，这些策略不再局限于传统的机械回收方法。近年来，一些创新技术被提出，如原位动态交联方法，该方法通过在熔融状态下稳定互不相容的聚合物混合物，从而提高其性能。然而，这种方法仍然需要预先制备聚合物混合物，而无法直接应用于实际的混合塑料废弃物。此外，化学转化方法虽然能够将塑料转化为有价值的低分子量构建块，但其在实际应用中的成本和可行性仍需进一步优化。

本文提出了一种基于相分离理论的混合塑料废弃物回收方法，通过在熔融加工过程中控制rPP/rPE界面，实现混合塑料废弃物的有序分离。这一方法的核心在于利用相分离理论，通过调节不同塑料之间的界面张力，使得混合塑料废弃物中的各组分能够按照特定的规则进行相分离。例如，在一个由主要相A和两个次要相B和C组成的三元混合系统中，可以通过三个相间扩展系数（spreading coefficients）来预测各组分的分布情况。如果某个扩展系数为正值，而其他两个为负值，则次要相B会包裹次要相C，从而形成一种稳定的相结构。

在实验中，研究者使用了来自不同来源的混合塑料废弃物，并将其与回收聚丙烯和回收聚乙烯结合。通过在熔融加工过程中加入乙ylene-propylene共聚物（EP）作为相间改性剂，EP能够有效地稳定rPP/rPE的主界面，从而促进混合塑料废弃物的有序分离。具体而言，混合塑料废弃物中的各个组分会根据其与rPP和rPE之间的界面张力，分别进入rPP或rPE相中。例如，聚乙烯部分会进入rPE相，而其他组分则会进入rPP相，从而形成一种具有优异机械性能的共连续结构。

为了验证这一理论模型，研究者采用了共振增强的原子力显微镜红外光谱（AFM-IR）和定量纳米尺度机械表征（PeakForce QNM?）等先进手段，对相分离过程进行了详细分析。这些技术能够精确地检测不同组分在材料中的分布情况，以及其对机械性能的影响。结果表明，经过这种处理后的材料，其冲击强度等性能指标与纯回收聚丙烯和聚乙烯相当，甚至在某些情况下有所提升。更重要的是，这种材料在多次回收后仍能保持较高的性能，表明其具有良好的可回收性。

为了进一步了解混合塑料废弃物的组成，研究者还采用了一种基于密度的方法进行分析。这种方法通过将混合塑料废弃物分别浸入不同密度的溶液中，根据其浮沉情况估算其成分。例如，通过选择与聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯密度相近的溶液，可以有效分离出这些组分。这一方法不仅操作简便，而且能够提供较为准确的成分信息，为后续的回收处理提供了重要的数据支持。

在实验过程中，混合塑料废弃物和回收聚丙烯、聚乙烯均经过干燥处理，以去除其中的水分。干燥后的材料通过双螺杆单螺杆挤出机进行熔融混合。挤出过程中，EP作为相间改性剂被加入到聚乙烯相中，以稳定rPP/rPE的主界面。通过这种处理，混合塑料废弃物中的各个组分能够按照特定的规则进行相分离，形成一种具有优异机械性能的共连续结构。

为了评估这种新型材料的性能，研究者进行了拉伸测试。测试结果表明，经过处理后的材料具有较高的拉伸强度和模量，其性能与纯回收聚丙烯和聚乙烯相当。此外，研究者还通过红外光谱（FTIR）和共振增强AFM-IR技术对材料的组成和结构进行了分析，确认了EP在rPP/rPE界面的有效分布。这些分析结果进一步验证了相分离理论在混合塑料废弃物回收中的应用潜力。

本文的研究不仅为混合塑料废弃物的回收提供了新的思路，也为未来塑料回收技术的发展奠定了基础。通过结合相分离理论和先进的表征技术，研究者成功地实现了混合塑料废弃物的有序分离，从而提高了其回收价值。这一方法的提出，有望在未来推动塑料回收技术的革新，减少塑料污染，提高资源利用效率。同时，这一研究也为其他类型的复合材料和多组分材料的回收提供了借鉴，具有广泛的推广价值。