聚乙烯塑料的可降解性研究

聚乙烯塑料的可降解性研究

李云海

大庆石化公司塑料厂

摘要：聚乙烯（PE）是目前生活中最重要的塑料制品原料。PE材料化学性能稳定，不易分解，对环境造成长期污染。本文综述了聚乙烯可降解性的研究进展，重点介绍了可降解聚合物领域的不同降解机理。综述了一种由丙交酯和聚乙烯形成的杂环聚合物材料，并从生物降解的角度探讨了可生物降解聚乙烯的发展前景。

关键词：可降解塑料；生物降解聚乙烯；光敏降解

聚乙烯（PE）作为一种热塑性树脂材料，广泛应用于生活的各个方面，具有良好的化学稳定性和绝缘性能。其优异的抗氧化性使其成为最常用的塑料产品。随着全球环境形势的不断恶化，全球环保组织开始限制塑料制品的发展，对塑料制品的降解性提出了更高的要求，目前聚乙烯仍是市场份额最高的塑料原料。近年来，人们开始对聚乙烯材料的降解性进行大量的研究。目前，聚乙烯材料的降解机理可以通过以下方式实现：

1光降解机理

聚乙烯材料属于高分子聚合物，其分解机理主要是聚合物链的断裂。通过大量实验发现，聚乙烯材料对260至360纳米的紫外线敏感。在该波长范围内的纳米光的长期照射下，聚乙烯材料将经历聚合物链的断裂，形成更小的聚合物链，这些聚合物链将继续断裂，最终分解为H2O和CO2。在自然条件下，由于环境光中的360纳米紫外光大部分被地球磁场阻挡并被臭氧层吸收，聚乙烯的光降解过程非常缓慢。以PE膜为例，在常规条件下，PE膜需要20多年才能断裂成更小的聚合物链。聚乙烯光降解的基本机制是在共聚物中引入光敏基团（如C=O），这些基团存在于乙烯共聚物中。使共聚物对特定波长的紫外线辐射更敏感，在吸收时会产生自由基。这个过程被称为聚合物的光降解。研究发现，在聚乙烯的制备中加入金属钛可以使聚合物产生更多的光敏基团，从而加速聚乙烯的分解。如今，在视频包装袋领域，通常使用二氧化钛涂层包装袋，这样做的一个重要原因是使这些材料能够在相对较短的时间内被光降解。

2生物降解机理

一般来说，聚乙烯的化学性能相对稳定，长期不易降解。它是白色污染的主要来源之一，生物降解机制通常被认为相对复杂。生物降解主要涉及通过微生物活动降解塑料制品，最终实现彻底分解。近年来，可生物降解塑料发展迅速，聚乙烯材料的生物降解机理相对复杂，一般认为聚乙烯的降解过程是由生物酶和微生物的化学降解引起的，导致聚乙烯化合物发生化学转化。该原理适用于碳链聚合物的非生物过氧化反应和随后的生物降解。其转化过程可以描述为两个降解过程：杂环聚合物水解成小分子和碳链聚合物氧化成小分子，最终导致聚合物链完全转化为水和二氧化碳。对于单个聚乙烯聚合物链来说，其结构非常稳定，自然界中很少有酶和微生物能降解它。

3复合型可降解塑料

相比较于聚乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚丙烯等石油化工塑料，生物聚酯如聚乳酸（PLA）的生物降解性能更好，聚乳酸原料来源于玉米、秸秆等生物有机原料PLA结构式为：

由结构式我们可以看出由于聚合链上的酯键水解，会导致聚合链的锻裂，这一过程发生的时间较短，因此聚乳酸化合物的降解过程更为明晰和迅速，是理想的可降解塑料。

聚乳酸在各项物化指标上无法与PE材料媲美，聚乳酸在开环聚合时由于中间产物聚合工艺条件苛刻，导致聚合物性质不均一，并且对空气中的水分比较敏感，很容易发生脆断，再加之原料成本居高不下，商业应用价值不高，目前来看，尚无法取代传统石化塑料制品。

上述几种降解机理是目前高分子材料主要降解原理，在实际降解过程中，通常是两种模式共同作用实现降解。近年来，研究者提出了一种全新的可降解塑料，通过丙交酯与烯烃类进行符合共聚反应的的方式获得一种杂链高分子共聚物，这种共聚物既可以获得聚乙烯材料的良好的物理化学性能，又可以实现良好的可降解性，丙交酯，作为生物聚酯材料中间产物，是乳酸脱水解聚的开环产物，丙交酯的制备工艺一直被国外垄断，近两年，丙交酯的制备工艺取得了突破性进展，并且丙交酯开环中间体能和多种烃类合成新的杂链聚合物，在与乙烯共聚时，从结构式我们可以看出，由于丙交酯与乙烯共聚链中有酯键存在，酯键容易发生水解，从而会产生聚合链的断裂，进一步发生分解，最终形成水和二氧化碳。杂链聚合物的可降解性能介于聚乳酸与聚乙烯之间，其物理及化学性能能够基本满足各行业之间的传统需求，在材料使用寿命上，基本能够满足各类日常消耗品，如地膜。一次性餐具等低值易耗品的性能及应用需求。

4可降解塑料制品的现状和发展前景

生物降解塑料对环境污染小，是未来塑料的主流发展方向。光降解和生物降解都是无序自发的降解过程，不受控制，会给产品的稳定性带来一定的负面因素。对于对强度和使用寿命有一定要求的塑料产品，其降解性会影响产品的稳定性。因此，为了在不失去塑料制品化学稳定性的情况下实现优异的降解性，可降解塑料的发展方向更倾向于条件降解。条件降解有两个明显的优点：一是不牺牲材料的物理化学性质，二是可以用较少的能耗实现降解和再生。中国每年都要花费大量的人力和财力来回收传统的塑料制品，在加工这些塑料制品时，不仅会产生大量的能源消耗，还会对环境造成二次污染。塑料的条件降解可以依靠催化剂来加速降解过程，并可以在相对较短的时间内分解为水和二氧化碳。这是降解塑料的最好方法。

结语：

可生物降解塑料是未来塑料产品的主角，无论是光降解、生物降解还是条件分解，其价值取向都旨在减少对地球环境的污染。塑料制品作为当今生活中最常见的非金属材料，具有明显的应用价值。在未来的应用方向上，传统塑料制品将逐渐被可降解塑料制品所取代，这是不可避免的。与此同时，人们在塑料降解性研究方面取得了巨大成就，而聚乙烯材料是塑料的支柱，其降解性研究进展将对改善全球环境产生积极的促进作用。

参考文献：

[1] 霍鹏.可降解塑料的研究现状及发展趋势[J]工程塑料应用，2016.44（3）:150-153；

[2]朱亚龙.浅谈可降解塑料的研究现状及发展趋势[J] 化工管理，2018.2；