一般来讲,塑料除了热降解以外,在自然环境中的光降解和生物降解的速度都比较慢,用Cl4同位素跟踪塑料在土壤中的降解,结果表明,塑料的降解速度随着环境条件(降雨量、透气性、温度等)的不同而有所差异,但总的而言,降解速度是非常缓慢的,通常认为需要200年~400年。为了解决这个问题,工业发达国家采用过掩埋、焚烧和回收利用等方法来处理废弃塑料,但是,这几种方法都存在无法克服的缺陷。进行填埋处理时占地多,且使填埋地不稳定。当进行焚烧处理时,因其发出热量大,易损坏焚烧炉,并排出二恶英,有时还可能排放出其他有害气体。而对于回收利用,往往难以收集或即使强制收集进行回收利用,经济效益很差甚至无经济效益。因而越来越多的学者提倡开发和应用降解塑料,并将它看作是解决这一世界难题的理想途径。目前,世界发达国家积极发展降解塑料,美国、日本、德国等发达国家都先后制定了限用或禁用非降解塑料的法规。
降解塑料
降解塑料是指一类其制品的各项性能可满足使用要求,在保存期内性能不变,而使用后在自然环境条件下,能降解成为对环境无害的物质的塑料。降解塑料按其降解机理分为生物降解塑料、光降解塑料和环境降解塑料。21世纪是保护地球环境的时代,是资源、能源更趋紧张的年代,为治理那些量大、分散、脏乱、难以收集或印使强制收集进行回收利用,经济效益甚差或无效益的一次性塑料废弃物,不仅对生态环境造成污染,同时也是对资源、能源的一种极大浪费。降解塑料能减少白色污染,有显著的经济效益和社会效益,为此高效的降解塑料的研究开发已成为塑料工业界、包装工业界以及环保界的重要发展战略,而且成为全球瞩目的研究开发热点。同时,随着人们对可降解材料认识的提高以及环保意识的不断加强,这类材料将有着极其广阔的前景。
光降解机理
光降解是指在日光照射下,光降解塑料吸收紫外线等辐射能后发生光引发作用,使键能减弱,长链分裂成较低分子量的碎片,聚合物的完整性受到破坏,物理性能下降。较低分子量的碎片在空气中进一步发生氧化作用,产生自由基断链反应,降解成为能被生物分解的低分子量化合物,最后被彻底氧化为C02和H20。整个降解过程是由光降解和自由基断链氧化反应相结合的Norrish反应。
光降解影响因素
影响塑料光降解的主要因素包括:
1.塑料分子结构。光降解塑料的分子结构是光降解的主要影响因素。
2.光敏剂。添加光敏剂可促进光降解。光敏剂在初期能延续其光化学反应。经诱导期后,被光激发可以将其激发态能量转移给聚合物(塑料),加速其光化学反应,使塑料发生降解和氧化。常用的光敏剂有乙酰丙酮金属化合物、二硫代氨基甲酸金属化合物、二茂铁、硬脂酸盐和肪盐等。
3.光波长。根据光量子理论,光波长越短,光量子所具有的能量越大,在290μm~400μm范围的紫外光所具有的光能量一般高于引起塑料高分子链上各种化学键断裂所需要的能量。但是各种高分子结构对光波波长的敏感性各有不同。如果所吸收的波长不是某种高分子的敏感波长,其光降解作用就很小。所以,紫外光的波长必须与塑料高分子断裂的敏感波长相匹配。
4.大气条件。大气中的氧、热、湿度会加速光降解。若升高温度,高分子热运动加剧,大分子碰撞次数增多,有利于与氧接触发生光氧化反应。
光降解塑料开发现状
降解塑料的研究开发始于上世纪70年代,80年代经历了较大的起伏,上世纪90年代是进入了比较求实和稳定的发展阶段。从技术、经济、性能总体而言,当前光降解塑料的研究开发已比较成熟,正逐步推向实用化阶段。