超临界CO2剥离多层塑料薄膜：面向先进回收的可持续策略

本文编辑推荐：为应对多层塑料薄膜回收难题，研究人员开发了一种基于超临界CO2的绿色剥离技术。通过在温和条件（40–80°C，最高200 bar）下使用纯CO2或添加助溶剂（如DMSO、甲醇）处理食品包装薄膜，成功实现PE/PET、PE/MDO-PE及PolyAl复合材料的界面分层。该技术通过CO2诱导聚合物溶胀与快速卸压产生机械应力，结合助溶剂选择性弱化粘合剂，为循环经济提供了低污染、易规模化的解决方案。

　　

在当今社会，塑料已成为无处不在的材料，尤其是食品包装领域广泛使用的多层复合薄膜。这些薄膜通过叠加不同聚合物（如聚乙烯PE、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET）和粘合剂（如聚氨酯PU），实现了优异的阻隔性、机械强度和轻量化，但同时也带来了严峻的回收挑战。由于各层材料性质差异大且粘合紧密，传统回收方法（如物理溶解、化学蚀刻）往往需要高温、强酸或大量有机溶剂，不仅效率低，还会产生二次污染。据统计，欧盟2022年塑料产量达5870万吨，但回收率仅16%，远低于2025年回收材料占比25%的目标。如何实现多层塑料的高效、绿色回收，已成为推动循环经济的关键难题。

在此背景下，Ramiro J. Olmos-Greco、Eduardo Pérez、Lourdes Calvo和Albertina Caba?as等人在《The Journal of Supercritical Fluids》发表研究，提出了一种创新解决方案：利用超临界二氧化碳（scCO₂）对多层塑料薄膜进行可持续剥离。超临界流体兼具气体的高扩散性和液体的溶解能力，而scCO₂更以临界条件温和（31.0°C，73.8 bar）、无毒、不易燃、无残留等优势成为理想介质。研究团队假设，scCO₂渗透至聚合物界面后，可通过诱导不同层间溶胀差异产生机械应力，并结合快速卸压过程实现分层；若添加适量助溶剂，还可选择性弱化粘合剂作用，进一步提升剥离效率。

为验证这一设想，研究人员聚焦三种典型商业薄膜：PE/PU/PET（聚乙烯/聚氨酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯）、MDO-PE/PU/PE（定向聚乙烯/聚氨酯/聚乙烯）以及来自饮料纸盒的PolyAl（聚乙烯/铝复合物）。实验在定制高压反应釜中进行，主要技术方法包括：首先通过超临界流体处理系统，在控制温度（40°C或80°C）和压力（200 bar）下将薄膜暴露于纯scCO₂或含助溶剂（甲醇、乙醇、丙酮、DMSO、水）的scCO₂中2小时，随后快速卸压（20–30秒）；之后利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学成分，差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）表征热学性质，扫描电子显微镜（SEM）观察界面形貌，从而全面评估剥离效果并探索机理。

研究结果充分证实了scCO₂剥离技术的可行性。在实验室制备的PET/PU双层薄膜中，纯scCO₂处理即可引发部分分层，尤其在40°C、200 bar的高密度条件下效果显著，而PE/PU体系则无响应。分析表明，PU粘合剂具有更高的CO₂吸附率（7–30%）和溶胀度（20–30%），其与PET间的溶胀差异和界面应力是剥离主因。对于更复杂的商业薄膜，助溶剂的引入至关重要。当添加11%质量的甲醇或DMSO时，PE/PU/PET和MDO-PE/PU/PE在80°C、200 bar下均可实现完全分层，且FTIR和DSC证实剥离发生在PET/PU或MDO-PE/PU界面。DSC显示分层后各层熔融温度（如PE的113°C、PET的258°C）与原始材料一致，表明过程未破坏聚合物结构。SEM图像进一步揭示了界面特征：PE/PU/PET的分层界面平整，而MDO-PE/PU/PE因TiO₂颜料迁移至PU层，剥离后存在材料转移现象。

特别值得关注的是PolyAl的处理结果。经scCO₂-甲醇作用，PolyAl成功分为两层：纯PE层和富铝复合层（铝含量升至25%）。FTIR在复合层中检测到马来酸酐改性PE（MA-PE）的羧基峰（1701 cm^?1），表明剥离发生于MA-PE/PE界面。SEM图像中可见气泡状分层位点，印证了CO₂溶胀导致的机械效应。助溶剂筛选实验表明，DMSO和甲醇效率最高（剥离度4级），乙醇次之，丙酮和水几乎无效。尽管 Hansen 溶解度参数预测丙酮对PU和PET溶解性最佳，但其实际效果不佳，说明剥离机制并非单纯溶解，而是scCO₂与助溶剂的协同作用：DMSO等溶剂可能弱化PU的界面粘结，而CO₂溶胀与快速卸压则引发气泡成核与应力集中。

综合全文，作者提出多层薄膜的scCO₂剥离是一个多机制过程：其一，CO₂渗入聚合物非晶区引发差异化溶胀，快速卸压时因气体膨胀产生机械应力；其二，助溶剂通过界面润湿或化学反应（如PU水解）降低粘附力；其三，在较高温度下，界面处聚合物发泡也可促进分层。该技术仅需少量助溶剂（如DMSO可蒸馏回收），且条件温和，显著降低了能耗与污染风险。

本研究首次将scCO₂剥离技术拓展至食品包装多层塑料，为难以回收的复合材料的绿色处理提供了新思路。通过精准控制界面分离，不仅可提升单一材料的回收纯度，还能避免传统方法中有毒溶剂残留问题。尽管未来仍需优化工艺参数、阐明详细机理并开展生命周期评价，但该技术已展现出与绿色化学原则的高度契合——以安全溶剂、低能耗操作和废物预防为核心，有望成为推动塑料循环经济的关键技术之一。随着超临界流体工程的成熟，这项具有原创性和应用潜力的方法或将在不久的将来实现规模化应用，为全球塑料污染治理注入新动力。