塑料废弃物在超疏水表面中的应用：开创性进展、挑战与未来机遇

《Sustainable Materials and Technologies》：Plastic waste for superhydrophobic surfaces: pioneering advances, challenges and future opportunities

　　

• 首次综述了利用废弃塑料开发超疏水表面的方法。
• 讨论了在超疏水技术中使用塑料的优势。
• 讨论了将塑料回收转化为超疏水表面的最新进展。
• 概述了在这一领域重新利用塑料所面临的挑战和未来机遇。

引言

塑料在我们的日常生活中发挥着至关重要的作用；然而，其广泛使用产生了大量废弃物，导致了严重的环境问题，如温室气体排放、对野生动物的危害以及海洋污染。大约70%的生产用塑料已被丢弃，凸显了全球废弃物问题的规模[1]。其中仅约9%被回收，近60%被填埋，12%被焚烧[2]、[3]。这两种处置方式都带来环境风险：焚烧会导致空气污染和温室气体排放，而填埋的塑料则会持续数十年，可能污染土壤和地下水。因此，塑料回收是实现环境可持续性的重要策略，涉及将使用过的塑料材料重新加工成新产品。这种方法减少了原生塑料的需求，并减轻了环境中塑料废弃物的积累。例如，废弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶可被回收为纺织纤维和新容器[4]、[5]，而高密度聚乙烯（HDPE）瓶则常被回收为管道和玩具等耐用物品[6]、[7]。然而，并非所有塑料都容易回收。聚氯乙烯（PVC）用于管道和某些消费品，难以回收，通常被排除在路边回收项目之外[8]。低密度聚乙烯（LDPE）袋可以回收，但接受度不高。聚丙烯（PP）在技术上可以回收，但由于回收技术有限，加工程度较低。值得注意的是，PP约占塑料废弃物的20%，年产量约5500万吨，预计到2030年将达到近1.05亿吨[9]、[10]。聚苯乙烯（PS）常用于一次性杯子和包装，同样难以回收，经常堆积在垃圾填埋场[11]、[12]。塑料回收的主要限制在于废料流中存在污染物，损害了再生产品的质量[13]、[14]。此外，不同塑料之间熔点和理化性质的差异使分类和处理变得复杂，往往导致许多再生塑料被降级处理，从而进一步加剧了二次塑料废弃物的挑战。

为应对这些问题，正在开发创新的回收技术以实现更可持续的应用。大多数传统塑料对自然降解具有抗性，这加大了对先进回收策略的关注。其中，生物回收和化学回收已成为应对塑料废弃物的两种有前景的方法[15]、[16]、[17]。这两种方法都为减少环境影响和推动循环经济提供了可行的途径。生物回收，即生物降解，利用微生物将特定塑料分解为更小的分子，可能生成增值副产品。相比之下，化学回收将塑料分解为其基本组成部分，从而实现材料回收，同时保持原始塑料的固有特性。总体而言，这些方法旨在建立更可行的塑料管理框架，并支持缓解环境污染的努力。近年来，废弃塑料已成功被回收为各种增值产品，包括过滤装置[18]、声学超材料[19]、生物炭[20]、3D打印丝[21]、纺织品[22]、抗菌材料[23]、储能系统[24]、吸附剂[25]、烟道[26]、有价值的化学品[27]、碳基材料[28]、建筑材料[29]以及金属-有机框架（MOFs）[30]、[31]。值得注意的是，越来越多的研究关注将废弃塑料转化为超疏水材料。超疏水材料因其卓越的拒水性能而备受关注，通常以水接触角（WCA）超过150°和滑动角（SA）小于5°为特征。这些特性使其在自清洁表面[32]、防冰涂层[33]、油水分离[34]、[35]、防水纺织品[36]、减阻[37]、防腐蚀[38]、建筑材料[39]和光热驱动器[40]等应用中有广泛的用途。

H. Y?ld?r?m Erbil和A. Levent Demirel首次报道了将PP塑料转化为超疏水表面的成果[41]。在该工艺中，使用对二甲苯作为溶剂溶解粒状等规聚丙烯（i-PP），而甲基乙基酮（MEK）作为非溶剂。通过将几滴聚合物溶液滴在玻璃载玻片上进行溶剂蒸发来制备i-PP涂层。所得涂层呈白色凝胶状外观，并在基材上形成高度多孔结构。值得注意的是，该表面的水接触角达到160°，证实了其超疏水特性。近期的研究进展越来越多地关注利用塑料废弃材料作为制备超疏水表面的原料，从而促进环境可持续实践。废弃塑料衍生超疏水材料的开发呈现一种有前景的方法，与循环经济原则和增强的生态可持续性相一致。通常，此类材料的合成涉及表面改性技术和创建分层微纳结构的结合，这两者对于实现所需的拒水性能至关重要。超疏水材料的广泛应用进一步凸显了其在不同工业部门的潜力，并支持了更绿色技术的进步。

据我们所知，尚无任何全面综述系统地整合了将废弃塑料回收为超疏水材料的创新策略及其多样化应用。本综述旨在填补这一空白，详细阐述该领域的进展，探索潜在应用，解决当前挑战并概述未来研究方向。图1提供了将塑料废弃物转化为不同形式超疏水材料的各种技术的概述。这些方法包括浸涂、喷涂、纺丝和电纺丝，可实现将塑料废弃物转化为超疏水涂层、纳米纤维结构和气凝胶或泡沫。本综述从塑料废弃物来源的总体概述及相关环境问题开始，然后重点关注利用废弃塑料材料制备超疏水表面的最新策略。最后，本综述讨论了转向超疏水应用可持续塑料回收实践所面临的当前挑战。结论部分强调了未来研究方向，重点放在材料科学、可持续加工技术的进步以及它们与更广泛的环境可持续性框架的整合上。通过这一综合分析，本综述旨在激发在利用废弃塑料开发环保超疏水技术方面的持续研究和创新。

**部分摘要**

**本综述的范围**

本综述全面概述了将塑料废弃物转化为高附加值超疏水材料的方法。这些方法有助于减少污染和温室气体排放。传统的超疏水表面和涂层的制备通常依赖于高能耗合成路线和高纯度、不可再生的资源，如专用含氟化合物和稀土元素。相比之下，利用废弃物作为资源……

**塑料废弃物资源及其在超疏水技术中的优缺点**

塑料基产品已深度融入日常生活，导致家庭、工业、农业和医疗等各个领域产生大量废弃物。塑料废弃物的主要类型包括LDPE、PP、PS、PET和HDPE。尽管使用广泛，但与长达数百年的极长降解周期相比，大多数塑料的使用寿命相对较短。近40-42%的塑料用于包装……

**从废弃塑料开发超疏水表面的近期策略**

从废弃塑料开发超疏水表面涉及几种关键策略，每种策略在将废弃材料转化为功能性产品方面各具独特优势。这些策略采用各种回收和处理技术来创建独特的表面结构，以增强表面功能。表2总结了设计不同类型超疏水材料的关键策略，突出了它们各自的优势以及所使用的塑料类型……

**废弃物塑料衍生超疏水材料的全生命周期评估、循环经济与可持续性考量**

废弃物塑料衍生超疏水材料的可持续性应通过整合全生命周期和循环经济的视角来评估，而非仅考虑再生塑料含量或超疏水性能[137]。归因型和过程型全生命周期评估（LCA）方法特别有助于识别材料和加工瓶颈，包括溶剂和能源使用[138]。后果型LCA可提供更深入的洞察……

**塑料废弃物回收中的关键挑战**

将塑料回收为超疏水材料在减少有害塑料废弃物和开发功能性表面两方面都具有前景。然而，该方法面临多项科学、技术和经济挑战。主要挑战概述如下：

a) 塑料废物流通常由异质性聚合物混合物（如PET、PE、PP）组成，这使分离过程变得复杂，难以实现一致的材料性能。此外……

**结论与未来机遇**

总之，本综述概述了将废弃塑料转化为高附加值超疏水材料的不同策略及其潜在应用。其中，双层旋涂法已被证明是从HDPE和PP制备自由站立超疏水膜的有效方法。该过程涉及受控热循环以定制表面形貌，形成花瓣状结构，表现出最高可达159°水接触角的拒水性……

**CRediT作者贡献声明**

Rajaram S. Sutar：方法论、调查研究、概念化、撰写——初稿。Sanjay S. Latthe：验证、监督、概念化、撰写——审阅与编辑。Ruimin Xing：验证、监督、资金获取、撰写——审阅与编辑。Shanhu Liu：监督、项目管理、资金获取、概念化、撰写——审阅与编辑。Viswanathan S. Saji：撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

我们非常感谢国家自然科学基金委员会（22575076）、水污染控制与绿色资源循环利用国家重点实验室基金（NO. PCRRF25020）以及中国石油勘探开发研究院（RIPED-2019-CL-186）的支持。

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