可降解塑料特征分析与快速鉴别方法研究

可降解塑料特征分析与快速鉴别方法研究

阎宝林

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摘要：塑料污染是一个重大的全球环境问题。可降解塑料替代传统塑料制品成为缓解塑料污染的重要手段，但市场中可降解塑料虚假宣传等现象频发。综述了近年来塑料分析的几种常见方法以及它们的优点和局限性，旨在为可降解塑料的特征分析和快速鉴别提供一定的理论依据和技术支持，为市场监管提供有力的帮助。随着可降解塑料的快速发展和普及，其检测分析技术需要向更快速、更准确的方向不断发展进步。

关键词：可降解塑料;光谱分析;热分析;

引言

当前可降解塑料产业发展迅猛,但其技术提升缓慢、生产成本高。一些不良厂家"鱼目混珠",用传统塑料冒充可降解塑料,印刷虚假"可降解"标识;或"以次充好",通过掺杂大量的传统塑料来满足产品所需的性能。这些情况造成了更严重的环境污染问题、极大地损害了广大人民的权益并阻碍了可降解塑料在市场中的健康发展。目前,对可降解塑料的测定主要是参照有关国际、标准,比如(ISO14855—1:2012)(GB/T19277.1—2011)等,采用了在不同条件下对各种材料的最后需氧生物溶解能力进行计算,但该方法过程繁琐、周期长,不适用于可降解塑料的快速检测。因此利用常见的塑料分析方法完善可降解塑料特征信息表征和有效特征信息提取,可以为其快速鉴别提供新的思路。

1降解塑料的种类及其发展状况

降解塑料是指一种具备良好生物降解性能,且应用后能在天然情况下被细菌充分降解处理,最后再分解成水分和二氧化碳的生物大分子塑料制品(如PHA、PHB、PCL等),也因为其原料来源广泛且被生物降解的产品对环保基本不会影响,所以生物降解的塑料制品也被称做"环保绿色塑料制品"。可降解塑料制品很多,但按照原料的成分与生产技术,真正生物降解塑料一般包含了细菌人工合成降解塑料、生化人工合成降解塑料以及与自然的生物大分子共混。但最近几年,随着科学技术进步和国家的扶持,生物塑料制品生产取得了较快成长,随着国内很多生物降解塑料制品生产企业的出现,真正生态生物塑料制品走入千家万户也将指日可待。

2降解塑料存在的问题及其未来发展方向

2.1发展问题

虽然就目前的发展而言,可降解塑料有着非常广阔的前景。但同时也存在着很大的技术问题。可降解塑料在应用于工业中的过程上,也面临着许多亟待解决的技术困难。

2.1.1经济效益问题

由于工艺技术并不完善,生产流程也相对繁琐,因此目前的生产工艺所需生产成本也较高。相比于传统石油基塑料来说价值要高出数倍,所以,尽管在我国大力的呼吁下实施"限塑令"的情形下。生物可降解塑料的推广仍然将受到很大的限制。

2.1.2产品性能问题

对比于传统石油基塑料,生物可降解塑料存在着各种机械性能不足的问题。这也造成了其使用范围狭窄,尽管能够部分取代常规石油基塑料的广泛使用,但却并不能从根本上缓解中国现在所遇到的资源匮乏、环境污染严重等社会问题。

2.1.3降解问题

生物降解塑料的降解过程要求特定的微生物学条件,所以对其回收处理和分解后怎样堆肥,也是必须思考的一项重大问题。怎样调控分解条件,在降解速度和降解场地等问题也慢慢显得关键起来。

2.1.4原料来源问题

由于生物降解塑料的主要原料取自生物资源,所以在未来对生物基资源的需求量将会大大增加。所以,对于当前全球所有的农业面能否能够适应人们对原材料的要求,以及如何能够在粮食的可食用和工业化应用之间寻找合适的平衡点等等,都是目前生物降解塑料发展中所面对的问题。

2.2发展方向

面对以上可能存在的一系列问题。首先,我们需要处理的是原料的来源问题。根据目前的研究进展,继续努力研究使用更多更广泛的微生物资源利用方法去制成可降解塑料,比如:废旧秸秆利用法、甲壳素等;然后,通过进一步研究发展,进一步优化现有的工艺,以及生产流程,进一步大大降低了成本,使生物降解塑料可以更广泛的投入,使产品普遍化、大众性;终于,为了更广泛的使用,进一步增强新材料的生物特性也就显得尤为重要了,不论是材质的复合或是材质的生物改性相信都在未来的发展趋势上将占有非常关键的地位。

3降解塑料与鉴别方法

3.1光谱分析法

3.1.1傅里叶变换近红外光谱FTIR

FTIR是最常用、最成熟的光谱分析技术,具有简单、高效、无损等优点,被广泛地用于表征塑料聚合物中存在的特殊官能团和分子结构。

3.1.2其他光谱分析法

中红外光谱分析MIR的波长位于2.5~25μm,对于近红外区振动泛音较弱的官能团比较敏感。KASSOUF等利用MIR与ICA相结合的新方法对PET、PE、PP、PS、PLA的分离进行了研究,并给出了100%的区分率。

3.1.3拉曼光谱Raman

Raman光谱分析能够根据不同物质存在的分子结构和原子不用,使得落在物质上的激光束产生不同频率的后向散射光,从而产生独特的拉曼光谱图。

3.2气相色谱-质谱联用分析

气相色谱-质谱(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)联用技术是常用的鉴定聚合物中添加剂的分析技术,通常与热分析方法相结合。热裂解-气相色谱-质谱法(Pyro-GC-MS)被广泛地应用于高分子和有机大分子鉴别,主要优点是能够使用不同的温度条件快速分析单个样品热裂解后的特征产物及分布,以确定有机塑料添加剂和聚合物类型。FRIES等首次采用Pyro-GC-MS一次性分析了微塑料的聚合物类型和相关的有机塑料添加剂(OPAs)。但该技术具有破坏性,一般用于单一形态的塑料成分鉴别。

热萃取解溶-气相色谱-质谱(Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry,TDS-GC-MS)是一个将TGA高温降解后的固相提取物质和气相色谱-质谱相结合的化学分析方法。相比于Pyro-GC-MS,TDS-GC-MS可以分析更多的样品,分析结果更精确,并且适用于不同基质中的样品分析。DÜMICHEN等使用TGA先对样品进行热解,随后通过TDS-GC-MS识别并量化了不同基质中的PE。但目前该方法的应用范围主要集中在PE上。除了上述的两种方法外,NEL等则将TGA-FTIR-GC-MS三种常见的分析方法联合使用构建了一个独特的表征平台,为PLA、PE、PVC等11种聚合物提供了独特的化学指纹。由于裂解反应比较复杂,因此Pyro-GC-MS与TDS-GC-MS很难对任何一种共聚物或混合材料进行完全定量分析。

3.3气相色谱-质谱联用分析

气相色谱-质谱(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)联用技术是常用的鉴定聚合物中添加剂的分析技术,通常与热分析方法相结合。热裂解-气相色谱-质谱法(Pyro-GC-MS)被广泛地应用于高分子和有机大分子鉴别,主要优点是能够使用不同的温度条件快速分析单个样品热裂解后的特征产物及分布,以确定有机塑料添加剂和聚合物类型。FRIES等首次采用Pyro-GC-MS一次性分析了微塑料的聚合物类型和相关的有机塑料添加剂(OPAs)。但该技术具有破坏性,一般用于单一形态的塑料成分鉴别。

热萃取解溶-气相色谱-质谱(Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry,TDS-GC-MS)是一个将TGA高温降解后的固相提取物质和气相色谱-质谱相结合的化学分析方法。相比于Pyro-GC-MS,TDS-GC-MS可以分析更多的样品,分析结果更精确,并且适用于不同基质中的样品分析。DÜMICHEN等使用TGA先对样品进行热解,随后通过TDS-GC-MS识别并量化了不同基质中的PE。但目前该方法的应用范围主要集中在PE上。除了上述的两种方法外,NEL等则将TGA-FTIR-GC-MS三种常见的分析方法联合使用构建了一个独特的表征平台,为PLA、PE、PVC等11种聚合物提供了独特的化学指纹。由于裂解反应比较复杂,因此Pyro-GC-MS与TDS-GC-MS很难对任何一种共聚物或混合材料进行完全定量分析。

结语

在国家大力推广降解塑料产品的情况下，由于降解塑料具有独特的生物可降解性，对环境无污染，是可持续发展的绿色资源，生物塑料的前途无疑是光明的。然而目前所面临的成本高、难推广，高性能、功能化材料研究不成熟等问题也是不可忽视的。不过，随着生产生活的需要、科学技术的发展以及国家政策上的扶持，相信降解塑料的发展前景会越来越好，目前所面临的问题终将解决，其在生产和生活上的应用也将越来越广泛，“绿色塑料”这一概念必将对“绿水青山就是金山银山”这一理念作出巨大贡献。

参考文献

[1]孙闯闯.完全生物降解塑料研究进展[J].广东化工,2020,47(20):45-46.

[2]张梦琳,李春霖,聂晶,张永志,孔祥东,袁玉伟.可降解塑料特征分析与快速鉴别方法研究进展[J].中国无机分析化学,2022,12(01):82-90.