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南方科技大学陈忠仁教授团队：解缠高分子链——从尺寸和拓扑，到加工与回收
近日，南方科技大学陈忠仁教授团队的AMR Viewpoint文章“Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling”在线发表。文章不仅为破解塑料污染问题提供了科学框架，也为下一代高分子材料的可持续设计指明了新方向。
关键词：链解缠、动态链、链拓扑结构设计、双峰分子量分布、加工-性能权衡、聚烯烃、负载催化剂、塑料回收、多嵌段共聚物、弹性体革新设计
高分子材料设计应从高分子物理的基本原理出发——从链尺寸和拓扑结构设计到动态键工程，遵循“制备-加工-应用-循环”一体化策略，整合“性能优先、加工友好、循环友好”三大目标，通过“解缠高分子链”，解开围绕塑料污染的社会困局，实现真正可持续高分子材料的绿色理想。
1 文章内容简介
自上世纪以来，合成高分子材料凭借高性能、低成本的优势，广泛应用于包装、医疗、建筑等领域。然而，其大规模使用也催生了“一次性文化”——全球每年数百万吨塑料垃圾流入海洋与土壤，威胁生态安全。如何设计高性能、易加工且环境友好的高分子材料，解开围绕塑料污染的复杂难题？或许我们应该追溯到聚合物科学的本质——通过聚合小分子（即单体）来合成大分子。通过理解和重构这些材料的创造过程，我们或许能够发现新的途径，设计出不仅性能卓越、易于加工，而且可持续的聚合物材料。
为应对这一挑战，陈忠仁教授团队提出高分子材料设计范式的转变——致力于构建真正可持续的高分子材料，从材料设计的初始阶段就将力学性能、加工性与可回收性融为一体。在高分子物理基本原理的指导下，该文深入探究聚合物链尺寸、拓扑结构、加工工艺与可回收性之间复杂的相互作用关系，为可持续材料设计提供前瞻性解决方案。探讨的内容包括：
（1）双峰分子量分布解耦材料的加工-性能权衡，实现材料力学性能和加工性能的同时提升；
（2）链拓扑结构设计用于混合塑料增容回收和新型弹性体设计；
（3）链解缠突破超高分子量聚合物材料的加工瓶颈。
2 AMR：请介绍一下该领域的研究背景!
作者团队：
聚合物材料的力学性能与其分子量息息相关，为了获得最基本的力学性能，合成的聚合物链尺寸必须超过临界缠结分子量（Mc）。在半结晶聚合物中，分子量（Mw）会影响结晶、缠结和系带分子，从而改变材料的力学强度和延展性。系带分子贯穿多个结晶域，有效地将其连接在一起。高比例的系带分子确保了晶区的连通性，有助于提高材料的强度、韧性和耐久性。
图 1. 聚合物粘度与分子量的关系
然而，超高分子量聚合物虽然保证了优异的材料性能，但也带来了加工方面的挑战。如图1所示，在超过Mc的情况下，随着分子量的增加，相互缠结的线性聚合物链粘度（η）急剧增加，即η ~ Mw3.4，这显著增加了材料的加工难度。
这种在力学性能与加工性之间的权衡是聚合物科学中的一个普遍挑战，而在聚烯烃领域，这种权衡尤为突出。作为最广泛使用的合成聚合物之一，聚烯烃（如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP））体现了材料性能与可加工性之间平衡的重要性。例如，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维因其高结晶度和高系带分子，展现出卓越的强度和模量。然而，聚合物链高度缠结导致的极高熔体粘度和较差的流动性，阻碍其进一步发展。
图 2. 聚烯烃商业化生产发展历程
通过链拓扑结构设计来克服加工难题，具有广阔的前景。如图2所示，与线性链相比，具有短链支化（short chain branching, SCB）的聚合物，例如通过α-烯烃共聚或链行走聚合得到的线性低密度聚乙烯（LLDPE），对熔体的流变性能影响较小，但展现出更高的柔韧性和抗冲击性。另一方面，具有长链支化（long chain branching, LCB）的聚合物在相同分子量水平下展现出更低的熔体粘度和更好的加工性。然而，较高的支化密度会在一定程度上降低结晶度和力学强度。通过支化控制来实现卓越的力学性能和加工性仍然是一个持续的追求目标。
另一种常见的策略是加入小分子添加剂，如成核剂、增塑剂、抗氧化剂和阻燃剂。尽管这些添加剂可以改善加工性和其他性能，但它们的化学复杂性带来了显著的环境挑战，包括毒性、迁移性以及由于与聚合物基体相容性差而导致的回收挑战。这些问题促使研究人员探索不依赖外部添加剂即可实现类似功能的替代方法。
3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
作者团队：
1. 双峰分子量分布（Bimodal MWD）
（1）核心突破：通过调控高分子链的分子量分布，如图3所示，高分子量链段（HMW）主要贡献材料力学性能，低分子量链段（LMW）可作为“内置加工助剂”。除此之外，功能化的低分子量链段有潜力替代传统小分子添加剂（如成核剂、增塑剂等）。
（2）优势：解决小分子添加剂相容性差、毒性迁移问题，实现材料加工与力学性能的双重优化。
图 3. 双峰分子量分布对成核、结晶和力学性能的影响
2. 链拓扑结构设计（Chain topology design）
（1）支化链增容回收：如图4所示，长链支化聚合物（如EPDM橡胶原位接枝PE和iPP）可高效增容聚乙烯（PE）/聚丙烯（iPP）共混物，推动混合塑料的机械回收。
图 4. EPDM橡胶原位接枝PE和iPP用于混合塑料增容回收
（2）不对称嵌段共聚物顺序共混：二十多年来，科学界广泛认为对称性两嵌段共聚物在热力学平衡状态下具有最佳的增容效果。然而，如图5所示，在动力学过程中，通过顺序共混策略，不对称两嵌段共聚物增容效果更佳。
图 5. 嵌段共聚物在PB/PI界面分布机理图
（3）多嵌段共聚物革新弹性体：如图6所示，OBC（烯烃嵌段共聚物）与COBC（环烯烃嵌段共聚物）通过物理交联网络替代传统硫化橡胶的化学交联，兼具弹性与热塑性加工优势，支持循环利用。链穿梭聚合（CSP）作为工业级合成技术，可实现多嵌段共聚物的大规模生产，降低成本并拓展应用场景。
图 6. 链穿梭聚合制备环烯烃嵌段共聚物（COBC）
3. 聚合物链解缠（Chain untangling）
（1）聚合阶段解缠：如图7所示，优化聚合温度、压力与催化剂，在聚合过程中直接合成低缠结超高分子量聚乙烯（UHMWPE），突破加工瓶颈。
图 7. 负载催化剂制备低缠结聚合物示意图
（2）加工动态解缠：如图8所示，利用动态可逆键在加工过程中断裂，实现polymer-oligomer转换，降低熔体粘度；加工后可逆键恢复，重新回到高分子量链段，保留材料高强度。
图 8. 可逆共价键构建动态链解缠示意图
4 AMR：您对该领域的发展有何愿景？
作者团队：
（1）高分子材料应遵循“机械回收优先”策略，化学回收作为补充，且材料设计应从高分子物理的基本原理出发，整合“性能优先、加工友好、循环友好”三大原则——从链尺寸和拓扑结构设计到动态键工程，实现真正可持续高分子材料的绿色理想。
（2）学术界与工业界协同：推动实验室成果的产业化转化，缩短回收路径。
（3）政策与公众参与：提倡机械回收技术，倡导垃圾分类，减少“一次性文化”依赖，共建塑料循环经济。
作者团队简介
南方科技大学化学系
陈忠仁，讲席教授
陈忠仁，1984年于浙江大学获得学士学位；1987年于浙江大学获得硕士学位，师从潘祖仁教授；1998年于加州理工学院获得博士学位，师从2005年诺贝尔化学奖得主Grubbs教授和Kornfield教授；1998-1999年在斯坦福大学Waymouth课题组从事茂金属催化的立构嵌段聚合物合成及其高弹性分子基础的博士后研究，随后在霍尼韦尔公司电子材料部研究低k材料；2000年加盟普利司通集团从事橡胶材料的工业研发，成为公司高层研发人员和核心管理团队成员；2016年全职加入南方科技大学，任化学系和深圳格拉布斯研究院双聘讲席教授。课题组通过调控聚合物的亚稳态结构以优化高分子材料的性能。研究方向包括催化体系设计与合成，高分子链拓扑设计与可控聚合，聚集态结构调控与表征，微纳米材料的自组装与多尺度加工，复合材料的界面设计、疲劳失效机理与寿命预测。在软材料开裂机制、超高分子量聚合物链缠结调控、嵌段共聚物界面分布等基础研究，和高性能弹性体、超高分子量聚烯烃材料、低密度高分子发泡材料、低成本超强纤维复合材料的绿色制备与加工等应用技术领域，取得了重要突破。近期在环烯烃共聚物的化学合成与应用、催化体系的理性设计与烯烃聚合的动力学调控，以及还原敏感型聚合物药物载体的合成与体外实验研究等领域取得关键进展。承担项目包括国家重点研发计划、 国家自然科学基金等累计十多项，已在Science，Macromolecules，Polymer，ACS Appl. Polym. Mater.等国内外期刊上发表论文 70 多篇，美国及欧盟等国际发明专利十多项。
南方科技大学化学系
孙志强，硕士研究生
孙志强，2022年在南方科技大学获得学士学位，现于南方科技大学化学系攻读硕士学位，研究方向是多嵌段共聚物自组装及软材料的结构-性能关系。
南方科技大学化学系
董振，博士研究生
董振，分别于2017和2019年在哈尔滨工业大学获得学士和硕士学位，并于2024年在南方科技大学获得博士学位，研究方向是定制聚合物负载催化剂用于烯烃聚合。
南方科技大学化学系
余锋，博士研究生
余锋，2014年在武汉东湖大学获得学士学位，并于2017年在宁波大学获得硕士学位，现于南方科技大学化学系攻读博士学位，研究方向是聚烯烃塑料机械回收的新型增容剂设计。
南方科技大学化学系
封司同，博士研究生
封司同，分别于2018和2020年在哈尔滨工业大学获得学士和硕士学位，现于南方科技大学化学系攻读博士学位，研究方向是开环易位聚合构建共价适应性聚合物网络。
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Untangling Polymer Chains: Size, Topology, Processing, and Recycling
Zhiqiang Sun, Zhen Dong, Feng Yu, Sitong Feng, and Zhong-Ren Chen*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00057
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