面对全球塑料污染治理与高性能聚烯烃材料开发的双重挑战，如何通过精准的分子设计实现“一石二鸟”？天津大学潘莉教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表的最新研究，通过创新催化体系与结构设计，成功制备了具有独特“双晶网络”的乙烯-丙烯嵌段共聚物（OBCs），不仅自身展现出卓越的力学性能和形状记忆特性，更成为解决高密度聚乙烯（HDPE）与等规聚丙烯（iPP）不相容共混物升级回收的高效增容剂，为聚烯烃的可持续发展提供了高效解决方案（图1）。

图1 高性能乙烯-丙烯嵌段共聚物及HDPE/iPP升级回收

  聚烯烃（如PE、PP）以其优异的性能和成本优势占据全球塑料市场的半壁江山，其稳定C-C共价键赋予材料优异的稳定特性，也为化学回收带来巨大挑战，目前高效的物理回收是难以降解的聚烯烃材料可持续发展的主要途径。然而，其发展面临两大关键瓶颈：1. 性能局限：均聚物和无规共聚物难以同时满足高端应用对高强度、高耐热性、高弹性和功能化的严苛要求。2. 回收难题：尤其是比重较大的难降解的HDPE和iPP混合物，由于热力学不相容、界面结合差，回收料力学性能严重劣化，难以直接再利用，从而造成资源浪费。

  天津大学潘莉教授团队在单催化剂结合配位链转移聚合（CCTP）制备烯烃嵌段共聚物（OBCs）方面深耕多年，前期已在可逆配位链转移、链穿梭聚合方法以及新型烯烃嵌段共聚物可控合成等领域积累了的丰富经验及众多的研究成果（Chem. Eng. J. 2024, 497, 155003; Macromolecules 2024, 57, 4208；Macromolecules 2022, 55, 5038; Polym. Chem. 2022, 13, 245; 高分子学报2022, 53, 1409；2023, 54, 1708，ZL201811164523.4，ZL202110171214.5，ZL202110067106.3，ZL202410459412.5）。在本工作中，研究团队继续在该领域深入探索，不断拓展催化体系及应用范围，创新性地利用高活性、高耐温性的叔丁基咔唑双（酚-醚）铪催化剂（CAT O₄-[Hf]），结合CCTP技术和顺序进料策略（图2），在单一反应器内高效、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。

图2 E-P 嵌段共聚物的合成过程

  催化体系仅需单一主催化剂，克服了链穿梭共聚合对双催化剂体系严苛的匹配要求，大幅降低了催化体系的筛选和使用成本。链转移剂（iBu₃Al）介导的活性中心可逆转移，确保了聚合过程的可控性（分子量逐步增长，PDI~2.2），通过精确控制各单体聚合时间即可灵活调控嵌段长度和组成（如丙烯含量可在25-75 mol%范围调节）。从原料经济性方面来看，使用廉价且易得的乙烯和丙烯单体，具有极高的工业应用潜力。

  该研究核心的创新在于通过精密的嵌段序列设计，在OBCs内部构筑了独特的“双晶网络”结构，并实现了晶区-非晶区的协同增效（“三相协同设计”）：

  高熔点PE晶区（T_m ~130 °C）： 由较长的乙烯嵌段形成正交晶系，作为刚性框架，提供高温尺寸稳定性和高强度，并作为形状记忆的永久相。

  低熔点PP晶区（T_m ~70-105 °C）： 由丙烯嵌段形成不完善的α晶，其熔融温度可通过嵌段长度调控。该晶区在室温下提供增强的力学强度，并在较低温度下可逆熔融/结晶，是实现形状记忆功能的开关相。

  非晶相：连接PE和PP晶区的非晶链段，提供了优异的韧性、弹性回复能力。

  得益于“双晶网络”和“三相同步设计”，合成的OBCs展现出远超传统无规共聚物（如同等单体比例的(EP)₁₀，拉伸强度仅0.07 MPa）的优异综合性能（图3）。断裂伸长率高达1100-1600%，远超常规聚烯烃弹性体。拉伸强度达到10-18 MPa，实现了从高弹性到高强度的连续可调以及热响应形状记忆特性。

图3 嵌段共聚物的力学性能与“三相协同设计”

  OBCs的另一项突破性应用是作为HDPE/iPP共混物（包括原生料和回收料）的高效增容剂：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显著降低，界面相容性明显提升。断裂伸长率从纯共混物的10% 提升至626%，提升超60倍（图4）！对于废弃HDPE瓶和iPP包装盒制备的回收料共混物（r-HDPE/r-iPP），添加10 wt% 的OBC后，断裂伸长率从7%提升至302%，验证了技术的实际应用价值。

图4 HDPE/iPP共混物增容改性后的拉伸性能

  该研究成功构建了涵盖“催化体系创新”、“结构设计”、“应用拓展”的完整技术体系。为开发兼具高耐热、高强度、高弹性、智能响应的高性能聚烯烃弹性体提供了全新分子设计策略。并且，为难以回收的HDPE/iPP混合废塑料提供了一种高效、实用的物理升级回收方案，显著提升回收料价值，助力塑料闭环循环与碳中和目标。单催化剂CCTP工艺使用廉价单体，流程简化，展现出巨大的工业化潜力。未来工作可聚焦于大规模生产工艺优化，并探索赋予材料自修复、导电等多功能特性，进一步拓展其在柔性电子、智能包装等新兴领域的应用。这项研究是高分子催化合成、结构设计与可持续材料应用领域协同创新的一个典范。

  该研究工作以“Ethylene-propylene block copolymers featuring dual crystalline networks: high-performance elastomers and sustainable high-density polyethylene/ isotactic polypropylene blends upcycling”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（2025, 520, 165651）。文章的第一作者是天津大学材料学院博士生蔡浩，潘莉教授为通讯作者。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165651

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