每年全球产生约22.4亿吨固体废物，其中约20%为塑料材料，聚丙烯（PP）占很大比例。尽管迫切需要改进废物管理，但全球塑料回收率仍然很低；在生产的70亿吨塑料中，只有不到10%被回收，聚丙烯的回收率估计仅为1%。[1], [2] 这样的低回收率加剧了环境退化，并对生态系统构成了严重威胁。此外，塑料生产严重依赖不可再生化石燃料，占全球碳足迹的4.5%，进一步加剧了其环境影响。[3]
大量聚丙烯废物来自一次性产品和非织造聚合物材料。本文选择了一次性口罩作为代表性的非织造聚丙烯废物流，据估计在疫情高峰期间全球消耗量约为4500亿个。[4] 大多数一次性口罩主要由多层非织造聚丙烯纤维制成，旨在提供过滤、机械强度和湿度管理功能。[5]
这些材料的不当处理通过填埋、焚烧和分解成微塑料导致环境污染。非织造聚丙烯材料由于其纤维结构、添加剂和制造过程中引入的着色剂而特别难以回收。当这些材料在环境中风化时，它们会分解成微塑料颗粒，污染水生生态系统，并可能进入食物链，对海洋生物和人类健康构成风险。[6], [7], [8] 鉴于一次性口罩主要由聚丙烯基纤维组成，开发有效的回收和再利用策略对于减少塑料污染和支持循环经济至关重要。[9]
传统的塑料回收通常遵循两条主要途径：机械回收和化学回收。[10] 机械回收是最广泛采用的方法，包括收集、分类、清洗、粉碎并通过熔化和重新 molding 或重新挤出处理塑料废物。虽然这种方法相对简单且经济可行，但反复的热-机械处理往往会导致聚合物降解，从而降低分子量、恶化机械性能，并限制回收材料的应用范围。聚丙烯废物中存在的添加剂、染料和污染物进一步复杂化了机械回收过程，影响了最终产品的质量和一致性。
与机械回收相比，化学回收具有多项优势，特别是通过去除杂质能够回收更高纯度的原生样聚合物。[10] 已探索了多种化学回收方法，包括热解、超临界流体萃取和溶解-沉淀工艺。热解和超临界流体萃取因其能够从塑料废物中生成高价值化学品而具有吸引力；然而，它们通常需要高温（约400°C）和专用设备，这增加了工艺的复杂性和成本。相比之下，溶解-沉淀方法通常在较低温度下操作，并需要较简单的设备，使其成为从混合废物流中选择性回收聚合物的有希望的策略。[2]
大多数聚丙烯溶解方法依赖于芳香烃，如苯及其衍生物（包括甲苯和二甲苯），这些溶剂已被证明能够在约10% wt/v的浓度下溶解PP。[11], [12] 然而，这些传统溶剂存在高挥发性、毒性、易燃性和来自不可再生化石资源的缺点。
离子液体（ILs）是一种有前景但尚未充分探索的PP溶解和回收替代方案。离子液体的熔点低于100°C，在室温下通常为液态，由有机阳离子与各种阴离子组成。[13], [14] 与传统分子溶剂不同，离子液体具有独特的物理化学性质，包括几乎为零的蒸气压、高热稳定性、不可燃性和可调的化学结构。[15], [16] 这些独特特性使得离子液体在多种应用中越来越受到关注，[17] 包括聚合物加工和分离（例如地毯废物的回收）、[2] 能量存储电解质、[18] 化学反应的设计溶剂、[20] 以及CO2的分离和捕获。[21], [22] 然而，尽管对基于溶剂的聚合物回收的兴趣日益增加，但控制聚合物溶解的分子级机制仍不完全清楚，特别是溶解过程中聚合物-溶剂相互作用的动态。因此，需要先进的分析技术来探究聚合物-溶剂相互作用并阐明溶解过程。
在这里，我们提出了一种从非织造废物流中回收聚丙烯的新方法，使用由三（2-乙基己基）胺（TEHA）和3,3-二甲基丁酸（DMBA）按1:1 M比例组成的离子液体进行实验。离子液体通过三级胺和羧酸之间的质子转移形成氨基羧酸盐离子液体。选择这些组分是基于它们与聚丙烯的物理化学相容性，并基于我们之前关于溶剂驱动的聚合物回收系统的研究。[2]
聚丙烯是一种高度非极性的聚合物，由饱和烃链组成，其溶解主要受分散相互作用控制。TEHA的长支链烷基链促进了与聚烯烃链的有利疏水相互作用，提高了溶剂与聚合物的相容性。结合DMBA，质子转移生成了同时具有离子特性和疏水烷基结构的氨基羧酸盐离子液体。[2] 这类溶剂系统可以促进聚烯烃的膨胀和塑性，使溶剂渗透到聚合物基质中并促进溶解。此外，这两种前体都具有低蒸气压和高热稳定性，适合在聚丙烯加工所需的高温下操作。
使用这种溶剂系统，聚丙烯能够迅速从非织造材料中溶解并回收，所得聚合物的性能与原生聚丙烯相当。回收的聚合物通过FT-IR、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、高温凝胶渗透色谱（HT-GPC）和纳米压痕进行了表征。质子核磁共振（1H NMR）光谱用于确认离子液体的形成和稳定性，而准弹性中子散射（QENS）用于探究聚合物-离子液体系统的分子动态并提供溶解过程的机制见解。这些结果展示了定制离子液体作为高效聚丙烯回收可持续溶剂系统的潜力。
