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  自上世紀以來，合成高分子材料憑借高性能、低成本的優(yōu)勢，廣泛應用于包裝、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。然而，其大規(guī)模使用也催生了“一次性文化” - 全球每年數(shù)百萬噸塑料垃圾流入海洋與土壤，威脅生態(tài)安全。如何設計高性能、易加工且環(huán)境友好的高分子材料，解開圍繞塑料污染的復雜難題？

  為應對這一挑戰(zhàn)，南方科技大學陳忠仁教授團隊提出高分子材料設計范式的轉(zhuǎn)變 - 致力于構(gòu)建真正可持續(xù)的高分子材料，強調(diào)高分子材料設計應從高分子物理的基本原理出發(fā) - 從鏈尺寸和拓撲結(jié)構(gòu)設計到動態(tài)鍵工程，遵循“制備-加工-應用-循環(huán)”一體化策略，整合“性能優(yōu)先、加工友好、循環(huán)友好”三大目標，通過解纏高分子鏈，我們有望解開圍繞塑料污染的社會困局，實現(xiàn)真正可持續(xù)高分子材料的綠色理想。在高分子物理基本原理的指導下，該文深入探究聚合物鏈尺寸、拓撲結(jié)構(gòu)、加工工藝與可回收性之間復雜的相互作用關(guān)系，為可持續(xù)材料設計提供前瞻性解決方案。探討的內(nèi)容包括：

  （1）雙峰分子量分布解耦材料的加工-性能權(quán)衡，實現(xiàn)材料力學性能和加工性能的同時提升

  （2）鏈拓撲結(jié)構(gòu)設計用于混合塑料增容回收和新型彈性體設計

  （3）鏈解纏突破超高分子量聚合物材料的加工瓶頸

**加工-力學性能權(quán)衡**

  聚合物材料的力學性能與其分子量息息相關(guān)，為了獲得最基本的力學性能，合成的聚合物鏈尺寸必須超過臨界纏結(jié)分子量（M_c）。在半結(jié)晶聚合物中，分子量（M_w）會影響結(jié)晶、纏結(jié)和系帶分子，從而改變材料的力學強度和延展性。系帶分子貫穿多個結(jié)晶域，有效地將其連接在一起。高比例的系帶分子確保了晶區(qū)的連通性，有助于提高材料的強度、韌性和耐久性。

圖 1. 聚合物粘度與分子量的關(guān)系

  然而，超高分子量聚合物雖然保證了優(yōu)異的材料性能，但也帶來了加工方面的挑戰(zhàn)。如圖1所示，在超過M_c的情況下，隨著分子量的增加，相互纏結(jié)的線性聚合物鏈粘度（η）急劇增加，即η ~ M_w^3.4，這顯著增加了材料的加工難度。

  這種在力學性能與加工性之間的權(quán)衡是聚合物科學中的一個普遍挑戰(zhàn)，而在聚烯烴領(lǐng)域，這種權(quán)衡尤為突出。作為最廣泛使用的合成聚合物之一，聚烯烴（如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP））體現(xiàn)了材料性能與可加工性之間平衡的重要性。例如，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維因其高結(jié)晶度和高系帶分子，展現(xiàn)出卓越的強度和模量。然而，聚合物鏈高度纏結(jié)導致的極高熔體粘度和較差的流動性，阻礙其進一步發(fā)展。

圖2. 聚烯烴商業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展歷程

  通過鏈拓撲結(jié)構(gòu)設計來克服加工難題，具有廣闊的前景。如圖2所示，與線性鏈相比，具有短鏈支化（short chain branching, SCB）的聚合物，例如通過α-烯烴共聚或鏈行走聚合得到的線性低密度聚乙烯（LLDPE），對熔體的流變性能影響較小，但展現(xiàn)出更高的柔韌性和抗沖擊性。另一方面，具有長鏈支化（long chain branching, LCB）的聚合物在相同分子量水平下展現(xiàn)出更低的熔體粘度和更好的加工性。然而，較高的支化密度會在一定程度上降低結(jié)晶度和力學強度。通過支化控制來實現(xiàn)卓越的力學性能和加工性仍然是一個持續(xù)的追求目標。

  另一種常見的策略是加入小分子添加劑，如成核劑、增塑劑、抗氧化劑和阻燃劑。盡管這些添加劑可以改善加工性和其他性能，但它們的化學復雜性帶來了顯著的環(huán)境挑戰(zhàn)，包括毒性、遷移性以及由于與聚合物基體相容性差而導致的回收挑戰(zhàn)。這些問題促使研究人員探索不依賴外部添加劑即可實現(xiàn)類似功能的替代方法。

**創(chuàng)新解決方案** 

1. 雙峰分子量分布（Bimodal MWD）  

  （1）核心突破：通過調(diào)控高分子鏈的分子量分布，如圖3所示，高分子量鏈段（HMW）主要貢獻材料力學性能，低分子量鏈段（LMW）可作為“內(nèi)置加工助劑”。除此之外，功能化的低分子量鏈段有潛力替代傳統(tǒng)小分子添加劑（如成核劑、增塑劑等）。  

  （2）優(yōu)勢：解決小分子添加劑相容性差、毒性遷移問題，實現(xiàn)材料加工與力學性能的雙重優(yōu)化。  

圖3. 雙峰分子量分布對成核、結(jié)晶和力學性能的影響

2. 鏈拓撲結(jié)構(gòu)設計（Chain topology design）  

  （1）支化鏈增容回收：如圖4所示，長鏈支化聚合物（如EPDM橡膠原位接枝PE和iPP）可高效增容聚乙烯（PE）/聚丙烯（iPP）共混物，推動混合塑料的機械回收。 

圖4. EPDM橡膠原位接枝PE和iPP用于混合塑料增容回收

  （2）不對稱嵌段共聚物順序共混：二十多年來，科學界廣泛認為對稱性兩嵌段共聚物在熱力學平衡狀態(tài)下具有最佳的增容效果。然而，如圖5所示，在動力學過程中，通過順序共混策略，不對稱兩嵌段共聚物增容效果更佳。

圖5. 嵌段共聚物在PB/PI界面分布機理圖

  （3）多嵌段共聚物革新彈性體：如圖6所示，OBC（烯烴嵌段共聚物）與COBC（環(huán)烯烴嵌段共聚物）通過物理交聯(lián)網(wǎng)絡替代傳統(tǒng)硫化橡膠的化學交聯(lián)，兼具彈性與熱塑性加工優(yōu)勢，支持循環(huán)利用。 鏈穿梭聚合（CSP）作為工業(yè)級合成技術(shù)，可實現(xiàn)多嵌段共聚物的大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本并拓展應用場景。  

圖6. 鏈穿梭聚合制備環(huán)烯烴嵌段共聚物（COBC）。

3. 聚合物鏈解纏（Chain untangling） 

  （1）聚合階段解纏：如圖7所示，優(yōu)化聚合溫度、壓力與催化劑，在聚合過程中直接合成低纏結(jié)超高分子量聚乙烯（UHMWPE），突破加工瓶頸。 

圖7. 負載催化劑制備低纏結(jié)聚合物示意圖

  （2）加工動態(tài)解纏：如圖8所示，利用動態(tài)可逆鍵在加工過程中斷裂，實現(xiàn)polymer-oligomer轉(zhuǎn)換，降低熔體粘度；加工后可逆鍵恢復，重新回到高分子量鏈段，保留材料高強度。  

圖8. 可逆共價鍵構(gòu)建動態(tài)鏈解纏示意圖

**未來展望與呼吁** 

  （1）高分子材料應遵循“機械回收優(yōu)先”策略，化學回收作為補充，且材料設計應從高分子物理的基本原理出發(fā)，整合“性能優(yōu)先、加工友好、循環(huán)友好”三大原則——從鏈尺寸和拓撲結(jié)構(gòu)設計到動態(tài)鍵工程，實現(xiàn)真正可持續(xù)高分子材料的綠色理想。

  （2）學術(shù)界與工業(yè)界協(xié)同：推動實驗室成果的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，縮短回收路徑。  

  （3）政策與公眾參與：提倡機械回收技術(shù)，倡導垃圾分類，減少“一次性文化”依賴，共建塑料循環(huán)經(jīng)濟。

  這篇Viewpoint不僅為破解塑料污染問題提供了科學框架，也為下一代高分子材料的可持續(xù)設計指明了新方向。通過解纏高分子鏈，我們有望解開圍繞塑料污染的社會困局。  

**團隊介紹**

  南方科技大學陳忠仁教授團隊長期致力于高分子物理指導的聚烯烴材料研究，該Viewpoint以“Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling”為題發(fā)表在《Accounts of Materials Research》上。論文的通訊作者為陳忠仁教授，第一作者是南方科技大學碩士研究生孫志強。研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFB3800702，2021YFB3800705），國家自然科學基金面上項目（22075124），深圳市基礎(chǔ)研究面上項目（JCYJ20190809115013348, JCYJ20210324103811030）和廣東省催化化學重點實驗室（2020B121201002）的資助。

  原文鏈接：Sun, Z.; Dong, Z.; Yu, F.; Feng, S.; Chen, Z.-R. Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling. Acc. Mater. Res. 2025, ASAP.

  https://doi.org/10.1021/accountsmr.5c00057