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本文2432字，阅读约需7分钟

摘要：研究小组发现了一种即使在硫交联和抗氧化剂存在的情况下也能发挥作用的高活性复分解催化剂，开发出一种在温和条件下对轮胎中使用的硫化聚异戊二烯橡胶进行化学分解后，再与热分解结合，从而回收轮胎原材料的化学回收技术。

关键词：轮胎橡胶、硫化聚异戊二烯、复分解反应、化学回收、催化剂

要点

通过室温下的化学分解以及随后的热分解，成功回收了异戊二烯和碳黑
分析通过化学分解获得的液态聚合物，阐明了其反应路径
通过回收再利用废旧轮胎，为实现碳中和社会做出贡献

轮胎橡胶两阶段化学回收技术概述

概要

研究小组开发出一种在温和条件下对轮胎中使用的硫化聚异戊二烯橡胶进行化学分解后，再与热分解结合，从而回收轮胎原材料的化学回收技术。

轮胎橡胶通过将聚异戊二烯等聚合物与炭黑(CB)等混合，然后用硫交联聚合物制成，从而得到具有弹性和耐久性的橡胶制品材料。在这项新开发的技术中，只需在轮胎橡胶中添加催化剂和溶剂并在室温附近搅拌，即可发生化学分解反应，交联后的聚异戊二烯橡胶变成液体，因此，可以轻松地将聚异戊二烯和剩余的固体成分CB（即炭黑）分离。这一化学分解过程缩短了分子链，同时保留了原始的异戊二烯骨架。对所得液态聚合物进行进一步的热分解，即可回收以异戊二烯单体为主要成分的轮胎原材料。此外，对该化学分解反应产物的详细分析阐明了分子链缩短的反应机理。这一成果将为废旧轮胎化学回收技术的实际应用提供科学基础。

研究背景

轮胎行业是一个规模庞大的产业，全球年销售额超过1.28万亿人民币。随着未来出行方式的多样化，轮胎需求预计将持续增长。目前，大多数废旧轮胎采用“热回收”工艺处理，即用作燃料。虽然通过“翻新”（即更换磨损的胎面橡胶）进行材料回收利用正在取得进展，但为了以可持续的方式持续供应轮胎，应对资源枯竭和二氧化碳排放增加导致的气候变化等未来问题，亟需开发一种将废旧轮胎作为资源再利用的“化学回收技术”。然而，轮胎由多种组分、结构复杂的材料制成，其中含有聚合物、炭黑、抗氧化剂等的橡胶通过硫化作用与硫交联。因此，将这些材料分解并回收成原始原材料或纯化学产品一直是一个难题。

研究内容

在这项新开发的技术中，研究小组利用了碳-碳双键重排的复分解反应，对轮胎橡胶进行化学分解。虽然已有报道指出，含有天然橡胶的聚异戊二烯可通过催化复分解反应进行化学分解，但据预测，废旧轮胎中常见的硫化聚异戊二烯橡胶由于其所含的硫组分会抑制复分解反应的分解过程，因此难以化学分解。

为了克服这一技术难题，研究小组寻找一种具有即使在硫组分存在下也能保持活性的复杂催化剂，最终，研究小组发现了一种即使在硫交联和抗氧化剂存在的情况下也能发挥作用的高活性复分解催化剂。研究还发现，这一反应条件下还能抑制分解产生的短链聚异戊二烯重新形成长链。这使得研究小组在室温附近的温和条件下，仅使用催化剂和溶剂，无需添加任何其他反应剂，便成功地缩短了硫化聚异戊二烯橡胶的分子链，从而获得了液态聚异戊二烯。作为原材料的硫化聚异戊二烯橡胶不溶于溶剂，而反应后分子链较短的聚异戊二烯是液态的，可溶于溶剂，因此很容易与不溶于溶剂的固体成分炭黑分离（图1）。

本研究首次证明，通过选择合适的催化剂和反应条件，可以通过复分解反应对实际轮胎产品中使用的含炭黑的硫化聚异戊二烯橡胶进行化学分解。

图1 轮胎橡胶通过复分解反应（碳-碳双键重排反应）发生化学分解

当发生分子间复分解反应时（聚异戊二烯之间的碳碳双键发生重排），分解得到的聚异戊二烯分子链是短链和长链的混合物（图2-①）。为了缩短聚异戊二烯的分子链，以往的研究主要聚焦于通过聚异戊二烯与具有碳碳双键的低分子量反应剂之间的分子间复分解反应进行化学分解。另一方面，当发生聚异戊二烯的分子内复分解反应时，会生成环状聚异戊二烯，从而缩短聚异戊二烯分子链（图2-②）。

研究小组通过实验证实，通过向硫化聚异戊二烯橡胶中添加合适的催化剂和溶剂，在室温下几个小时内，聚异戊二烯的分子链就会显著缩短。为了阐明其机理，研究小组对反应产物进行了详细的结构分析，结果发现，液态聚合物的主要成分是以环状异戊二烯四聚体为中心的环状化合物。此外，通过分离纯化该环状异戊二烯四聚体并进行单晶X射线衍射结构分析，研究小组首次阐明了其分子结构，包括三维结构。这表明，即使不添加低分子量反应物，化学分解也能通过分子内复分解反应作为主要反应途径进行。

图2：复分解化学分解的反应路径

本研究通过复分解反应在室温下实现了化学分解。其独特之处在于，能够在保持聚异戊二烯橡胶中异戊二烯结构的同时缩短分子链。因此，通过进一步热分解化学分解得到的液态聚合物，可以如预期般获得异戊二烯作为主要产物，同时还可以获得诸如BTX（苯、甲苯、二甲苯）等化学产品原材料。本研究的成果将有助于废旧轮胎化学回收技术的实际应用。

未来展望

未来，除硫化聚异戊二烯橡胶外，研究小组还将考虑将这项技术的应用范围扩展到可通过复分解反应进行化学分解的丁二烯橡胶等。此外，研究小组还将探索分离的环状异戊二烯四聚体作为一种未利用碳资源的潜在应用。同时，致力于开发更高效的反应并扩大技术规模，目标在2030年代实现该技术的商业化。

术语解释

硫化

将橡胶与硫等混合并加热，使橡胶分子之间形成化学交联的过程。这使得橡胶分子形成网状结构，使其不溶于溶剂，并展现出橡胶的弹性。

聚异戊二烯

异戊二烯（化学式为CH₂=C(CH₃)CH=CH₂的化合物）的聚合物，天然橡胶的主要成分，用作轮胎、鞋类等的通用橡胶。

化学回收

一种回收方法，将废旧塑料、橡胶等废弃物通过化学方法分解成原材料，并将所得物质作为原材料来制造新产品。

炭黑

碳的细小颗粒。通过天然气和液态烃不完全燃烧获得的一系列具有工业用途的材料。可用作橡胶的增强填料、印刷油墨、颜料，以及碳材料的原材料。

热回收

一种焚烧废弃物并利用产生的热量作为能源进行发电、供热等的方法。碳燃烧可以产生能量，是CO₂排放的来源。

复分解反应

碳碳双键发生分子内或分子间重排的反应。如下图所示，两个含有碳碳双键的化合物可以生成一个新的碳碳双键的化合物。钌和钼等金属络合物可用作催化剂。

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2025/pr20251204/pr20251204.html

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.5c05581

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将废旧轮胎转化为化学原料：一种在室温下将轮胎橡胶分解成液态聚合物的化学回收技术