轮胎的清洁未来：科学家开创化学方法再利用橡胶废料

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A cleaner future for tires: Scientists pioneer chemical process to repurpose rubber waste

作者：Dave DeFusco，University of North Carolina at Chapel Hill

橡胶解构策略概述。 a，硫化聚丁二烯解构的建议路线。 R 为 H、铵或醛的水合形式。 b，胺化模型聚合物的 2-氮杂-Cope 重排/解构机制。 Credit: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08716-6

每年，数百万个轮胎最终被填埋，造成了具有深远影响的环境危机。仅在美国，2021 年就有超过 2.74 亿个轮胎被报废，其中近 20% 被丢弃在垃圾填埋场。 这些废弃材料的积累不仅带来了空间问题，还带来了环境危害，如化学物质的渗滤和自燃。

虽然热解（一种通过高温分解化学回收橡胶的方法）被广泛使用，但它会产生有害的副产品，如苯和二恶英，从而带来健康和环境风险。

一项题为“通过 C–H 胺化和氮杂-Cope 重排解构橡胶”的研究，发表在 Nature 杂志上，介绍了一种用于分解橡胶废料的新型化学方法。这项技术利用 C–H 胺化和聚合物重排策略，将废弃橡胶转化为环氧树脂 的有价值的前体，为传统回收方法提供了一种创新且可持续的替代方案。

该研究由 UNC-Chapel Hill 化学系 William R. Kenan, Jr. 院士和助理教授 Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy 领导。

橡胶，包括轮胎中使用的合成橡胶，由交联成三维网络的聚合物组成，表现为坚韧、柔韧的材料。由于聚合物结构内广泛的交联，使橡胶具有耐久性，但也使其具有抗降解性，因此回收这些材料非常困难。

传统的橡胶分解方法主要集中在两种方法上：脱硫化，它会破坏硫交联，但会削弱聚合物的机械性能；以及使用氧化或催化方法断裂聚合物主链，这通常会导致复杂、低价值的副产品。这两种方法都不能为再利用橡胶废物提供有效、可扩展的解决方案。

该研究的通讯作者 Zhukhovitskiy 博士说：“我们的研究旨在通过开发一种将橡胶分解为功能材料的方法来克服这些挑战，即使作为混合物，这些功能材料也具有价值。”

研究人员引入了一种二亚胺硫试剂，以在聚合物链中的特定位置安装胺基。这一步至关重要，因为它为随后的主链重排奠定了基础。这种化学反应会重组聚合物主链，将橡胶分解为可溶的胺官能化材料，这些材料可用于生产环氧树脂。

模型底物 1、5 和 9 上的烯丙基胺化。a**–**c，Z -oct-4-ene (a)、1,4-PB (b) 和破碎橡胶 (c) 的胺化。 d，基于 30% 官能化的 10 的 13C MAS NMR 谱图和元素分析（左）；基于 30% 官能化和残留 TFA 的 12 的 13C MAS NMR 谱图和元素分析（右）。 Credit: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08716-6

研究人员表明，他们的两步法效果非常好。在一项使用模型聚合物的测试中，他们对其进行了显著分解，将其分子量从 58,100 g/mol 降低到约 400 g/mol。当他们将该方法应用于废旧橡胶时，它在短短六个小时内就完全分解，将其转化为具有胺基的可溶性材料，可用于制造广泛使用的材料，如环氧树脂。

与通常需要极端温度或昂贵催化剂的传统回收技术相比，该方法的效率尤其引人注目。研究人员在温和条件（35–50°C 或 95–122°F）下在水介质中实现了他们的结果，使该过程更加环保和具有成本效益。

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环氧树脂广泛用于工业领域的粘合剂、涂料和复合材料。它们通常由石油基化学品（如双酚 A 和固化剂）制成。这项研究表明，使用研究人员的方法生产的胺改性聚二烯可以制造出强度与商业树脂相似的环氧材料。

该论文的合著者、UNC-Chapel Hill 的前博士后学者 Maxim Ratushnyy 说：“在这样的时刻，我开始欣赏有机合成的力量。 令人着迷的是，简单而强大的有机转化序列可以轻松地处理顽固的 C–C 键，并将聚丁二烯和聚异戊二烯基橡胶转化为潜在的有价值的环氧树脂。”

除了其实际应用之外，这项研究标志着朝着更绿色的回收技术迈出了重要一步。研究人员使用环境影响因子 (E-factor)（一种衡量相对于产品产量产生的废物量的指标）评估了其工艺的环境影响。

密歇根大学可持续系统中心的 Geoff Lewis 博士说：“E-factor 是一种简单但功能强大的指标，可以将新工艺的影响与现有工艺进行比较，还可以突出显示在我们将该工艺从实验室转移到实践中时可以改进的工艺步骤。”

虽然包括溶剂使用在内的完整 E-factor 很高，但不包括溶剂的简单 E-factor 则低得多，这突出了可以进一步优化该工艺以提高可持续性的领域。该团队已经在探索更绿色的溶剂系统和替代反应条件，以减少废物产生。

该研究的合著者、UNC-Chapel Hill 的博士候选人 Sydney Towell 说：“我们的研究代表了我们解决橡胶废物问题的方式的范式转变。”

“通过利用 C–H 胺化和主链重排的力量，这种方法为将消费后橡胶转化为高价值材料、减少对垃圾填埋场的依赖并最大限度地减少环境危害提供了一条新途径。”

更多信息： Aleksandr Zhukhovitskiy, Deconstruction of rubber via C–H amination and aza-Cope rearrangement, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08716-6

期刊信息： Nature

由 University of North Carolina at Chapel Hill 提供

引用： 轮胎的清洁未来：科学家开创化学方法再利用橡胶废料 (2025, 3 月 26 日)，检索于 2025 年 4 月 17 日，来自 https://phys.org/news/2025-03-cleaner-future-scientists-chemical-repurpose.html

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