昝菱，王松林，田麗紅
(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院無機材料所, 湖北武漢430072)
Solid-phase photocatalytic degradation of waste plastic polyethylene with TiO2 nano-particle
ZAN Ling, WANG Song-lin, TIAN Li-hong
（College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China）
Abstract：In this paper, a new kind of HDPE-TiO2 composite film, blending the grafted anatase TiO2 nano-particles in the HDPE, was prepared firstly. The photocatalytic degradation of the pure HDPE film and HDPE-TiO2 film under the ultraviolet light irradiation was investigated. The samples were characterized by the weight loss, FT-IR and the scanning electron microscope (SEM). The experimental results showed that the degradation rate of the composite films is faster than that of the pure films.
Key words：high density polyethylene(HDPE)；photocatalytic；TiO2；degradation
摘要：在高密聚乙烯（HDPE）中加入經(jīng)表面處理的納米TiO2粒子，用共混法制備HDPE-TiO2納米復(fù)合膜。利用失重、FT-IR、SEM對光照前后的純膜及復(fù)合膜進行表征。實驗表明復(fù)合膜在空氣中能被紫外光有效降解，且其降解速度遠遠大于純膜的降解速度。紫外光照780h后，二氧化鈦含量為1%的復(fù)合膜失重達到了58.1%，而純膜的光失重率僅為21.2%。
關(guān)鍵詞：高密聚乙烯；光催化；二氧化鈦；降解
中圖分類號：O643.32+2 文獻標識碼：A
文章編號：1001-9731（2004）增刊-2507-02
1 引言
廢棄聚合物聚乙烯等，因其難以自然降解而造成了日益嚴重的環(huán)境問題。納米TiO2在紫外光照射后，可以產(chǎn)生具有強氧化性的·OH和·O2-等自由基，因而被廣泛應(yīng)用于有機污染物的降解和殺菌等環(huán)保領(lǐng)域。最近已有關(guān)于TiO2催化降解固相的聚合物的報道[1,2]，但有關(guān)納米TiO2固相光催化氧化降解聚乙烯方面的研究目前還沒有報道。通常未經(jīng)表面處理的納米TiO2顆粒被直接引入到聚合物中，會導(dǎo)致TiO2在聚合物中嚴重團聚，將大大降低TiO2的光催化效率，因此如何將TiO2顆粒均勻引入聚合物是制備高效可光降解聚合物的關(guān)鍵。本文首次報道了經(jīng)表面處理過的納米TiO2光催化降解高密聚乙烯的情況。
2 實驗
原料：高密聚乙烯母粒(HDPE)，二氧化鈦為P25(銳鈦型約70%，粒徑30~50nm)，鈦酸酯偶聯(lián)劑。
用偶聯(lián)劑處理P25，然后與聚乙烯蠟混合造粒，將混合料與高密聚乙烯母粒混煉，吹塑得到HDPE- TiO2復(fù)合膜。將聚乙烯膜(4cm×4cm)置于紫外燈箱(紫外燈30W，254nm)中連續(xù)光照，每隔一段時間稱量，并對光照前后的膜進行紅外光譜分析(NEXUS470 FT-IR)及表面形貌分析(SEM，Hitachi X-650)。
3 結(jié)果討論
3.1 光照HDPE-TiO2膜失重分析
圖1是純膜和含TiO2 1%的復(fù)合膜在1mW/cm2(相當于武漢冬天太陽光光強)光強下的失重曲線。由圖可知，復(fù)合膜的失重率遠遠大于純膜的。在紫外燈下連續(xù)光照約450h后，純膜降解率為16.5%，TiO2含量為0.5%和1%的復(fù)合膜降解率是分別是23.1%和40.7%，光照780h后，純膜的失重率為21.2%，二氧化鈦含量為1%的復(fù)合膜失重達到了58.1%，很明顯TiO2對聚乙烯膜的降解起了催化作用。
3.2 光照前后HDPE-TiO
2膜光譜分析
圖2是復(fù)合膜的紅外光譜圖。圖中1714cm-1處新峰為羰基吸收峰，而且隨著時間的增加，羰基峰的強度也隨之增加。純膜由于在制造過程中引入了氧及雜質(zhì)，因此在其光照過程中也伴隨有羰基產(chǎn)生和降解現(xiàn)象，但是其降解速率要小于復(fù)合膜。此結(jié)果表明，TiO2在紫外光的作用下形成的·OH 和·O2-等自由基加快了聚乙烯鏈的斷裂并使其氧化成羰基，因此加速了聚乙烯膜的光氧化進程。
3.3 光照后HDPE-TiO2膜形貌分析
圖3為紫外光(1mW/cm2)照射350h的純膜和含TiO21%復(fù)合膜的表面形貌圖。復(fù)合膜(b)在光照350h后表面結(jié)構(gòu)被嚴重破壞，表面有很大的裂紋，并出現(xiàn)了粉化現(xiàn)象，并且有大量的孔洞產(chǎn)生，膜變成白色易碎的產(chǎn)物；而純膜（a）表面僅形成裂紋，裂紋內(nèi)部仍很光滑。這可能是由于純膜中含有少量C=O等雜質(zhì)也能進行斷鏈反應(yīng)，使表面開裂。而在復(fù)合膜中由于TiO2在紫外光照射下形成·OH和·O2－，他們進攻其周圍的碳鏈，與二氧化鈦表面接觸的聚乙烯鏈首先發(fā)生反應(yīng)，生成小分子的揮發(fā)物逸出，使表面變得疏松多孔，并且隨著光降解反應(yīng)的進行表面粉化越來越嚴重，表面降解越來越厲害。
4 結(jié)論
在聚乙烯中混煉納米二氧化鈦粒子形成的復(fù)合膜，在紫外光照射下，由于二氧化鈦的光催化作用，復(fù)合膜能迅速發(fā)生光降解，其光降解過程是一個氧化過程。
參考文獻：
[1] Solid-phase photocatalytic degradation of PVC–TiO2 polymer composites [J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2001, 143.
[2] Solid-phase photocatalytic degradation of polystyrene plastic with TiO2 as photocatalyst [J]. Journal of Solid State Chemistry, 2003, 174.
作者簡介：昝菱（1963－），女，重慶市人，武漢大學(xué)副教授，主要從事納米材料的制備和應(yīng)用研究。（E-mail: zhanlin@public.wh.hb.cn），Tel: 027-87682919
論文來源：中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議,2004年,9月12-16日
