不到1小时，尼龙塑料彻底溶解？全新常温技术颠覆传统高温分解

摘要：聚酰胺（PA，尼龙）是一种普遍存在的高性能塑料，广泛应用于各种应用中。它们对许多常见溶剂的高耐受性和在强酸或强碱中水解的倾向对低排放材料回收（即资源分离和回收）造成了主要障碍。在本研究中，首次详细研究了聚酰胺溶解的分子机理，发现在甲酸中引入弱氢键助溶剂可以有效地调节溶剂-溶剂和溶剂-聚合物相互作用，大大加速了常见的室温溶解动力学，（短链）聚酰胺，如PA6和PA66，以及长链和半芳香族品种。回收的聚合物在其化学结构或性能方面没有变化，并且足够的选择性允许填料如短纤维和长纤维，无机纳米颗粒，金属，和其它混合的聚合物相以高效率（>95%）沿着回收，同时所有溶剂再循环（>98%）。这一新方法有可能使聚酰胺回收更具可持续性和经济性，因为它减少了从汽车和电气部件、纺织品等中分离和回收各种组成材料所需的能源投入和二氧化碳排放。

研究背景

研究方法

1. 采用“共溶剂策略”

使用“甲酸（FA）+弱氢键供体溶剂”组合，比如FA与二氯甲烷（DCM）按1:1比例混合。

组合溶剂的特点：

• FA能溶解短链尼龙（如PA6、PA66），但速度慢（需数小时至一天）；

• 加入DCM后，不仅不影响甲酸的溶解力，反而打乱了FA之间的强氢键结构，更好地与尼龙分子结合；

• 同时，DCM对尼龙分子中的“亚甲基链”表现出很强的亲和性（范德华力强），促进链段解缠与扩散；

• 结果是：常温下，1小时以内即可完全溶解尼龙，且无需搅拌或加热！

2. 分子机制验证

3. 应用验证

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研究结果

1. 尼龙原样回收：无结构降解、无力学性能损失

2. 溶剂可循环使用：>98%回收率

3. 副材料高效回收

4. 能耗与碳排放大幅降低

• 相比传统回收工艺（如化学裂解），碳排减低80%；

• 初步估算每公斤PA6的回收只产生0.8公斤CO₂当量，能耗仅16 MJ/kg。

5. 典型应用场景

（1）废渔网再利用：从渔网中回收PA6和铅颗粒，并通过一锅法制成导热性能优良的碳纳米管复合材料；

（2）废旧纺织物升级：从旧衣服中提取尼龙与碳纤维叠层制成轻质复合板，性能超过85%原始产品；

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图文解析

图2. (a)照片和（B）室温下溶解的PA 6粒料的质量变化测量（无搅拌）；（c）具有不同固体浓度和共溶剂分数的PA 6溶液的表观粘度；（d）晶体溶解期间固-液界面的示意图，其中km是根据Noyes-Whitney模型的跨越边界层（厚度lb）的传质的量度；（e）共溶剂分数对传质系数km和总溶解时间的影响

图3. （a）FA（FF）、DCM（CC）和FA/DCM（FC）二聚体的分子静电势（MEP）、结合能（kJ/mol）和H-键长（OJ）;（b）FA与不同助溶剂级分（fDCM）的FTIR光谱，以及（c）FA的开放（FFo）和封闭（FFc）以及单体（F）形式的放大羰基区域（具有去卷积峰），（d）对于不同的共溶剂级分，代表（c）中所示的每种相互作用的羰基谱带的积分面积的变化；(e)代表a相晶体和溶剂相互作用位点示意图的氢键PA6低聚物的结构和MEP；（f）FA和DCM在每个结合位点的近似结合能；（g）总溶剂化能DGsolv和近似氢键和vdW分量

图4. （a）共溶剂增强的聚酰胺溶解动力学的拟议机制的图示：弱氢键溶剂破坏了强FA网络，增加了溶剂-聚合物相互作用，加速了脱羧过程。在纯FA中，溶剂-溶剂相互作用（FF）和溶剂-酰胺相互作用（SP）较强，而溶剂-亚甲基相互作用（SP）较弱，相比之下，DCM调节H-键合的溶剂网络以减弱溶剂-溶剂相互作用（FC），而在酰胺和亚甲基位点处的SP都是强的；（b）观察到的溶解速率（每单位表面积每单位时间PA链的摩尔数）与溶剂-聚合物相互作用（溶剂化能）和溶剂-共溶剂相互作用之间的差之间的连续关系

图5. （a）基于溶解的再循环方案示意图，附有具体示例条件下的照片。在不需要搅拌的情况下，在室温下将两种或更多种第二材料（具有或不具有第二材料，SM）溶解在共溶剂体系中，产生PA溶液，其可以在沉淀、洗涤和干燥之前分离成SM和PA。共溶剂和反溶剂允许它们通过顺序蒸发完全回收;（b）在一个溶解/再生循环之前和之后，PA6、PA66和PPA（PA6I/6T）的分子量（Mw）和多分散指数（PDI）;（c）原始和再生（纯）PA 6的FTIR光谱，（d）DSC扫描，和（e）拉伸应力-应变曲线

图6. （a）各种PA基模塑料的RT溶解：PA6、PA66、PA11、PA12、PA6I/6T、碳纤维（CF）、玻璃纤维（GF）、纳米粘土（云母、绢云母）;符号表示复合物的种类，插图是溶液的照片（b）由全球变暖潜能值度量描述的碳足迹，（全球升温潜能值，千克CO2当量/千克材料）和一次能源需求不同回收方法的纯PA6（PED，兆焦耳/公斤材料）（c）从PA基复合材料中回收的碳纤维和玻璃纤维的全球升温潜能值和压力释放值;插图是（b）中GF误差条的放大图，（c）如果溶剂回收效率降低，则代表保守值；（d）将基于共溶剂的溶解方法应用于实际的汽车和电气部件：在原始状态下，从模型和真实的成分中有效地回收了通常与PA一起使用的SM（玻璃纤维、铜、PI、阻燃剂）

图7.（a）功能复合材料的快速、RT溶解/分离和制造：将暴露于人工海水中3个月的渔网在室温下在共溶剂体系中快速溶解并分离以回收PA6、PE和Pb，然后通过一锅法溶液混合和注射成型分散碳纳米管（CNT）以制造rPA6/CNT试样；（b）拉伸行为和（c）回收/升级循环的PA6的热导率；（d）回收/升级循环的PA6材料的性能总结；（e）rPA6/CNT的多功能性能（在强度和导热性方面）与类似报道的复合材料相比（f）结构复合材料的快速、RT溶解/分离和制造：含PA6和聚氨酯的废旧纺织品（与染料一起被DMSO沿着除去）在室温下迅速溶解在共溶剂体系中并沉淀以回收PA6，然后使用共溶剂体系与预先回收的编织碳纤维（rCF）层压；碳纤维层压板和碳纳米管纳米复合材料的碳足迹和经济分析：（一）全球升温潜能值，（j）PED，和（k）MSP

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总结

该研究首次提出以“弱氢键调控共溶剂”实现常温快速溶解尼龙的新策略，彻底打破了以往“高温溶解”的技术瓶颈。不仅溶解速度提高10倍以上，还大幅降低能耗和碳排，兼顾了效率、环保与经济性。与昂贵、毒性大的氟化溶剂相比，甲酸+二氯甲烷体系成本更低、操作更安全、环境适应性更强。更重要的是，该策略具有极强的通用性，适配多种尼龙和填充材料，在面对复杂混合废料时也可“有的放矢”地精准分离。这为整个废塑料回收行业提供了一种可规模化推广的新思路。随着未来绿色溶剂的加入（如生物基溶剂），这种“智能共溶剂溶解”方案有望应用到更多高值塑料的回收上，成为实现碳中和目标的重要技术抓手。

（文章来源：Angewandte Chemie International Edition，点击阅读原文可查看原始文献）

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