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  面對全球塑料污染治理與高性能聚烯烴材料開發的雙重挑戰，如何通過精準的分子設計實現“一石二鳥”？天津大學潘莉教授團隊在《Chemical Engineering Journal》上發表的最新研究，通過創新催化體系與結構設計，成功制備了具有獨特“雙晶網絡”的乙烯-丙烯嵌段共聚物（OBCs），不僅自身展現出卓越的力學性能和形狀記憶特性，更成為解決高密度聚乙烯（HDPE）與等規聚丙烯（iPP）不相容共混物升級回收的高效增容劑，為聚烯烴的可持續發展提供了高效解決方案（圖1）。

圖1 高性能乙烯-丙烯嵌段共聚物及HDPE/iPP升級回收

  聚烯烴（如PE、PP）以其優異的性能和成本優勢占據全球塑料市場的半壁江山，其穩定C-C共價鍵賦予材料優異的穩定特性，也為化學回收帶來巨大挑戰，目前高效的物理回收是難以降解的聚烯烴材料可持續發展的主要途徑。然而，其發展面臨兩大關鍵瓶頸：1. 性能局限：均聚物和無規共聚物難以同時滿足高端應用對高強度、高耐熱性、高彈性和功能化的嚴苛要求。2. 回收難題：尤其是比重較大的難降解的HDPE和iPP混合物，由于熱力學不相容、界面結合差，回收料力學性能嚴重劣化，難以直接再利用，從而造成資源浪費。

  天津大學潘莉教授團隊在單催化劑結合配位鏈轉移聚合（CCTP）制備烯烴嵌段共聚物（OBCs）方面深耕多年，前期已在可逆配位鏈轉移、鏈穿梭聚合方法以及新型烯烴嵌段共聚物可控合成等領域積累了的豐富經驗及眾多的研究成果（Chem. Eng. J. 2024, 497, 155003; Macromolecules 2024, 57, 4208；Macromolecules 2022, 55, 5038; Polym. Chem. 2022, 13, 245; 高分子學報2022, 53, 1409；2023, 54, 1708，ZL201811164523.4，ZL202110171214.5，ZL202110067106.3，ZL202410459412.5）。在本工作中，研究團隊繼續在該領域深入探索，不斷拓展催化體系及應用范圍，創新性地利用高活性、高耐溫性的叔丁基咔唑雙（酚-醚）鉿催化劑（CAT O₄-[Hf]），結合CCTP技術和順序進料策略（圖2），在單一反應器內高效、可控地合成了具有不同嵌段序列（二嵌段E₂P₅/E₂P₈、三嵌段E₂P₅E₁₃/E₂P₈E₁₃、四嵌段E₂P₂E₁P₅/E₂P₂E₁P₁₃）的乙烯-丙烯嵌段共聚物。

圖2 E-P 嵌段共聚物的合成過程

  催化體系僅需單一主催化劑，克服了鏈穿梭共聚合對雙催化劑體系嚴苛的匹配要求，大幅降低了催化體系的篩選和使用成本。鏈轉移劑（iBu₃Al）介導的活性中心可逆轉移，確保了聚合過程的可控性（分子量逐步增長，PDI~2.2），通過精確控制各單體聚合時間即可靈活調控嵌段長度和組成（如丙烯含量可在25-75 mol%范圍調節）。從原料經濟性方面來看，使用廉價且易得的乙烯和丙烯單體，具有極高的工業應用潛力。

  該研究核心的創新在于通過精密的嵌段序列設計，在OBCs內部構筑了獨特的“雙晶網絡”結構，并實現了晶區-非晶區的協同增效（“三相協同設計”）：

  高熔點PE晶區（T_m ~130 °C）： 由較長的乙烯嵌段形成正交晶系，作為剛性框架，提供高溫尺寸穩定性和高強度，并作為形狀記憶的永久相。

  低熔點PP晶區（T_m ~70-105 °C）： 由丙烯嵌段形成不完善的α晶，其熔融溫度可通過嵌段長度調控。該晶區在室溫下提供增強的力學強度，并在較低溫度下可逆熔融/結晶，是實現形狀記憶功能的開關相。

  非晶相：連接PE和PP晶區的非晶鏈段，提供了優異的韌性、彈性回復能力。

  得益于“雙晶網絡”和“三相同步設計”，合成的OBCs展現出遠超傳統無規共聚物（如同等單體比例的(EP)₁₀，拉伸強度僅0.07 MPa）的優異綜合性能（圖3）。斷裂伸長率高達1100-1600%，遠超常規聚烯烴彈性體。拉伸強度達到10-18 MPa，實現了從高彈性到高強度的連續可調以及熱響應形狀記憶特性。

圖3 嵌段共聚物的力學性能與“三相協同設計”

  OBCs的另一項突破性應用是作為HDPE/iPP共混物（包括原生料和回收料）的高效增容劑：添加少量（如10 wt%）四嵌段OBCs，即可使不相容的HDPE/iPP (50/50) 共混物中分散相尺寸顯著降低，界面相容性明顯提升。斷裂伸長率從純共混物的10% 提升至626%，提升超60倍（圖4）！對于廢棄HDPE瓶和iPP包裝盒制備的回收料共混物（r-HDPE/r-iPP），添加10 wt% 的OBC后，斷裂伸長率從7%提升至302%，驗證了技術的實際應用價值。

圖4 HDPE/iPP共混物增容改性后的拉伸性能

  該研究成功構建了涵蓋“催化體系創新”、“結構設計”、“應用拓展”的完整技術體系。為開發兼具高耐熱、高強度、高彈性、智能響應的高性能聚烯烴彈性體提供了全新分子設計策略。并且，為難以回收的HDPE/iPP混合廢塑料提供了一種高效、實用的物理升級回收方案，顯著提升回收料價值，助力塑料閉環循環與碳中和目標。單催化劑CCTP工藝使用廉價單體，流程簡化，展現出巨大的工業化潛力。未來工作可聚焦于大規模生產工藝優化，并探索賦予材料自修復、導電等多功能特性，進一步拓展其在柔性電子、智能包裝等新興領域的應用。這項研究是高分子催化合成、結構設計與可持續材料應用領域協同創新的一個典范。

  該研究工作以“Ethylene-propylene block copolymers featuring dual crystalline networks: high-performance elastomers and sustainable high-density polyethylene/ isotactic polypropylene blends upcycling”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上（2025, 520, 165651）。文章的第一作者是天津大學材料學院博士生蔡浩，潘莉教授為通訊作者。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165651

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