Circularity in polymers: addressing performance and sustainability challenges using dynamic covalent chemistries

动态共价化学 持续性 生化工程 重新使用 循环经济 共价键 计算机科学 纳米技术 工艺工程 材料科学 化学 工程类 废物管理 有机化学 生态学 晶体结构 超分子化学 生物
作者
Tianwei Yan,Alex H. Balzer,Katie M. Herbert,Thomas H. Epps,LaShanda T. J. Korley
出处
期刊:Chemical Science [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (20): 5243-5265
标识
DOI:10.1039/d3sc00551h
摘要

The circularity of current and future polymeric materials is a major focus of fundamental and applied research, as undesirable end-of-life outcomes and waste accumulation are global problems that impact our society. The recycling or repurposing of thermoplastics and thermosets is an attractive solution to these issues, yet both options are encumbered by poor property retention upon reuse, along with heterogeneities in common waste streams that limit property optimization. Dynamic covalent chemistry, when applied to polymeric materials, enables the targeted design of reversible bonds that can be tailored to specific reprocessing conditions to help address conventional recycling challenges. In this review, we highlight the key features of several dynamic covalent chemistries that can promote closed-loop recyclability and we discuss recent synthetic progress towards incorporating these chemistries into new polymers and existing commodity plastics. Next, we outline how dynamic covalent bonds and polymer network structure influence thermomechanical properties related to application and recyclability, with a focus on predictive physical models that describe network rearrangement. Finally, we examine the potential economic and environmental impacts of dynamic covalent polymeric materials in closed-loop processing using elements derived from techno-economic analysis and life-cycle assessment, including minimum selling prices and greenhouse gas emissions. Throughout each section, we discuss interdisciplinary obstacles that hinder the widespread adoption of dynamic polymers and present opportunities and new directions toward the realization of circularity in polymeric materials.
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