光_生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能

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提出的红外光谱测定聚乙烯结晶度 (X cr ) 的经验公式: 1- I a /1. 233Ib X cr = 11+ I a /Ib
第 8期
刘再满等 : 光 /生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能
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另外, 经相同时间 ( 50 h)光照后 , 对含不同种类光敏剂的薄膜羰基吸收峰强度计算 , 得到分别以二 乙基二硫代二氨基甲酸铁、 硬脂酸铈、 硬脂酸铁为光敏剂的羰基指数各为 0 1 、 0 2 、 0 3 。说明各光敏剂 的促降解效果优劣次序为硬脂酸铁 > 硬脂酸铈 > 二乙基二硫代二氨基甲酸铁。 对不同降解时间后试样的羰基吸收谱带进行分峰, 各分峰位置及其积分强度 ( 分峰面积占总羰基 峰面积的百分数 ) 列于表 1 。由表 1 可知, 各试样均有 4 个分峰 , 与光照前相比, 除 1 696 cm 处吸收峰 外 , 所有光照后试样的吸收峰明显向高波数移动。
第 23卷 第 8 期 2006 年 8 月
应用化学 CH I NESE J OURNAL OF A PPL I ED CHEM ISTRY
V o.l 23 N o . 8 Aug . 2006
光 /生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能
刘再满
a *
丁生龙
b
柳明珠
b
( a 兰州交通大学化学与生物 工程学院 摘 要
2005 09 03收稿 , 2005 11 15 修回 兰州交通大学 青蓝 人才工程基金资助项目 ( Q L 05 21A ) 通讯联系人 : 刘再满 , 男 , 1968年生 , 博士 , 副教授 ; E m ai:l liu z m@ m ai. l lzjtu. cn ; 研究方向 : 功能高分子材料
因为淀粉来源丰富, 价格低廉, 又可生物降解, 所以淀粉填充聚乙烯塑料受到了广泛关注。为了改 善淀粉与聚乙烯的相容性 , 提高淀粉在共混物中的填充量, 可在共混体系中加入带亲水性基团的乙烯基 共聚物 , 如乙烯 丙烯酸共聚物 ( EAA )、 乙烯 醋酸乙烯酯共聚物和聚乙烯接枝马来酸酐等 , 或采用 [ 4] 不饱和脂肪酸与淀粉进行混合接枝反应等措施 。在淀粉填充聚乙烯塑料中, 尽管其中的淀粉可完全 生物降解, 但聚乙烯的环境降解性较差, 添加光敏剂是提高聚乙烯降解性能的有效方法之一
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) 与 PE 基峰
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应用化学
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第 23 卷
( 1 460 cm ) 的积分面积之比 , 求得羰基指数。二者的积分数值分别取自 1 680~ 1 760 c m 和 1 428~ -1 1 500 c m 。 试样的相对分子质量及其分布用 GPC 法测定 , 流动相和溶剂为邻二氯苯, 测定温度 135 烯为标样。熔融温度用 DSC 法测定 , 升温范围 25~ 300 , 升温速度 10 /m in , N2气气氛。 , 聚苯乙
UV irrad iation t i me : 50 h; sen sitizer : iron stearic
图 2 为光敏剂硬脂酸铁含量对羰基指数的影响 ( 光降解 50 h) 。 图中可见, 随着光敏剂含量的增加, 试样的羰基指数不断增大。 在光敏剂质量分数小于 0 3 % 时 , 羰基指数增加较快, 之后增加变缓。这说 明光敏剂的用量有一个最佳范围, 本体系中光敏剂的合适用量在质量分数为 0 1 % ~ 0 3 %。
1 实验部分
1 . 1 试剂和仪器 玉米淀粉 (食品级 ) ; 低密度聚乙烯 ( LDPE, 牌号 1I2A, 中国石油兰州石化公司 ); 线型低密度聚乙烯 ( LLDPE, 牌号 SF 414 , 韩国现代公司 ); EAA, Dow 公司 ( 西班牙 ); 乙醚、 甲醇和正己烷等均为分析纯试 剂 ; 硬脂酸铁、 硬脂酸铈和二乙基二硫代氨基甲酸铁为实验室自制。 NEXUS 670 型红外光谱仪 ( 美国 N ico let公司 ); A lliance GPC V2000 型凝胶渗透色谱仪 ( 美国 W aters 公司 ); DSC 7 型示差扫描量热仪 ( 美国 Perk in E l m er公司 ) ; T race GC M S2000 型气相色谱 质谱联用仪 ( 美国菲尼根公司 ) 。 1 . 2 薄膜的制备 将淀粉经疏水化处理后, 与相容剂、 增塑剂、 光敏剂、 加工助剂等在高速混合机内混匀 , 然后加入 LDPE 混合均匀, 用双螺杆挤出机在 120~ 160 挤出 , 冷却造粒即得光 /生物降解母粒料。将上述母粒 料干燥后与 LLDPE 按一定比例混合 , 挤出吹塑得到淀粉质量分数为 35 % 的光 /生物降解聚乙烯薄膜。 1 . 3 光降解实验 光降解实验参照文献 [ 7 , 8] 方法进行。 1 . 4 分析与测试 薄膜的结构采用 FT I R 法进行测定 , 分辨率为 4 cm 。以羰 基吸收峰 ( 1 716 cm
兰州 730070; b 兰州大学化学化工学院
兰州 )
采用傅里叶变 换红外光谱 ( FT IR ) 、 示差扫描量 热 ( DSC ) 、 凝胶渗透色 谱 ( GPC) 和气相色 谱 质谱联用
( G C M S) 等方法 , 研究了质量分数为 35 % 的淀粉光 /生物 降解聚 乙烯薄膜 的光降 解性能、 产 物结构及 降解机 理。结果表明 , 可通过光敏剂种类和用量调 节薄膜的 光降解 速度。硬脂 酸铁和硬 脂酸铈 的光敏 化作用 相近 , 均优于二乙基二硫代氨基甲酸铁 ; 在光敏剂质量分数为 0 2% ~ 0 3% 时制得 的光 /生物 降解薄膜 光降解性能 较好。随着薄膜的光降解程度增大 , 羰基指数 和薄膜 中聚 乙烯的 结晶 度升高 , 而 熔点 和相对 分子 质量 下降。 其光降解产物中含有低 分子量的烷烃、 酮、 醛、 酯、 一元羧酸和二元羧酸等。 关键词 淀粉 , 聚乙烯 , 塑料薄膜 , 降解性能 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 0518( 2006) 08 0875 06 中图分类号 : O 636. 1
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Peak 2 A /% 49. 1 74. 7 67. 0 79. 7 74. 5 /c m- 1 1 716 1 732 1 739 1 740 1 740
Peak 3 A /% 19 . 6 6 . 2 27 . 7 15 . 7 18 . 8 / cm - 1 1 744 1 744 1 749 1 752 1 753
光降解产物用 GC M S 法测定。将降解后的薄膜置于索氏提取器中 , 用乙醚回流 1 h 后 , 取出降解薄 膜 , 让乙醚自然挥发, 然后加入正己烷 , 倒出正己烷可溶解的部分, 进行气相色谱测试。不溶于正己烷的 部分用 0 1 % 盐酸甲醇溶液在 60 酯化 15 m in , 进行气相色谱测定。气相色谱的测定条件如下 : 离子 源温度 200 , 汽化室温度 280 , 界面温度 250 , H e气作载气, 流量为 1 mL /m in , 分流比 10 1 , 起始 温度 40 , 升温速度 4 /m in , 最终温度 250 。
百度文库
Peak 4 A /% 3. 1 8. 8 3. 5 1. 5 1. 4
由表 1 还可知, 未光照试样在 1 696 cm 处的积分强度为 28 2 % , 光照 10 h 时下降为 10 3 % , 光照 30 h 以后低于 5 3 %。 未光照试样在 1 708 cm 处的积分强度为 49 1 % , 而光照后试样的吸收峰向高波 - 1 数移动 , 且积分强度较高, 如光照 60 h 时试样在 1 715 cm 处的积分强度为 74 5% , 而未光照试样在 1 716 c m 处的积分强度仅为 19 6 %。 而在 1 740 cm 附近 , 光照 0 和 10 h 试样在 1 744 c m 处有较 小的吸收峰 , 光照时间延长到 30 h 以后 , 分别在 1 740 和 1 750 cm 出现吸收峰, 尽管在 1 750 cm 的 积分强度较低, 但有一个明显的特点是光照时间越长吸收峰波数越高。 -1 未光照的试样在 1 708 c m 处出现较强的吸收峰 , 可归属于相容剂 EAA 中的羰基伸缩振动吸收 峰。由于试样中同时含有小分子羧酸, 这些羧酸的羰基能够和羟基生成较强的氢键 , 因此使得羰基的伸 缩振动向低频移动, 出现在 1 696 c m 处。光照开始后, 在光敏剂产生的自由基作用下, 上述羰基基团 - 1 迅速分解, 其 1 696 和 1 708 cm 处积分强度大幅度下降 ; 同时聚乙烯分子链发生光氧化降解, 生成了 新的含羰基基团 , 如酮、 醛、 酯、 酮酸和二元羧酸, 因此其羰基吸收峰向高频移动。其详细降解机理将在 后文进一步讨论。 依据 Zerbi等
表 1 光照不同时间的 试样羰基吸收峰分峰位置及积分强度 Table 1 Location s and integral in ten sities( A ) of carbon yl absorp tions
Ti m e/ h 0 10 30 50 60 Peak 1 /c m- 1 1 696 1 695 1 696 1 696 1 697 A /% 28 . 2 10 . 3 1 . 8 3 . 1 5 . 3 / cm - 1 1 708 1 712 1 717 1 716 1 715
图 1 光降解时间对羰基指数的影响 ( 光敏剂 0 . 2 % ) F ig . 1 E ffect o f UV irradiation ti m e on carbony l index
S ensit izer : iron stearic, m ass fraction 0. 2%
图 2 光敏剂含量对羰基指数的影响 ( 光降解 50 h) F ig. 2 Effect o f sensitize r content on carbony l index
2 结果与讨论
2 . 1 薄膜力学性能 通过对淀粉表面进行偶联剂处理、 填加相容剂和增塑剂, 以及控制工艺条件等方法 , 改善了淀粉与 聚乙烯的相容性 , 提高了淀粉在共混物中的填充量 , 制得了淀粉质量分数 35 %、 厚度为 0 036 m 的光 / 生物降解聚乙烯薄膜。 该薄膜的纵向和横向拉伸强度分别为 8 2 和 4 7 MP a , 纵向和横向断裂伸长率分 别为 126 % 和 238 % , 纵向和横向撕裂强度分别为 32和 52 N /mm。 2 . 2 红外光谱测定结果 光敏剂硬脂酸铁质量分数为 0 2 % 的薄膜在紫外灯下照射不同时间后 , 由其红外光谱图测定的试 样羰基指数和降解时间的关系见图 1 。由图 1可知, 光照初期羰基指数有所下降 , 其可能原因是在制备 薄膜时配方中含有硬脂酸、 油酸和 EAA 等带有羰基的化合物, 这些物质在未光照时表现出较高的羰基 指数, 但经过光照之后其中有一部分羰基 , 尤其是小分子的硬脂酸和油酸上的羰基, 首先分解成羰基自 由基, 然后进一步分解为易挥发的 CO 和 CO 2, 导致羰基指数下降。随着光照时间的延长, 薄膜中原有的 羰基大多数被消耗, 由其引起的羰基指数下降速度变慢 , 而聚乙烯主链的光氧化作用占主导地位 , 产生 含羰基化合物的速度加快 , 导致总体羰基指数上升。在光照初期, 光敏剂显示一定的抗氧化剂性能, 可 以满足其生产、 储存和使用的要求; 光照一定时间后 , 光敏剂转为显示光引发剂的性能 , 导致薄膜迅速降 解破坏。
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。目前,
国内外研制的光 /生物降解薄膜中, 淀粉质量分数一般为 20 % 左右 。本工作以玉米淀粉和聚乙烯为 主要原料, 并添加增塑剂、 相容剂和光敏剂 , 制得了淀粉含量为 35 % 的光 /生 物降解聚乙烯薄膜, 着重用 傅里叶变换红外光谱 ( FT IR )、 示差扫描量热 ( DSC ) 、 凝胶渗透色谱 ( GPC ) 和气相色谱 质谱联用 ( GC M S) 等方法对薄膜的光降解性能、 降解产物及机理进行了较系统的研究。
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