昝菱，王松林，田丽红
(武汉大学化学与分子科学学院无机材料所, 湖北武汉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）中加入经表面处理的纳米TiO2粒子，用共混法制备HDPE-TiO2纳米复合膜。利用失重、FT-IR、SEM对光照前后的纯膜及复合膜进行表征。实验表明复合膜在空气中能被紫外光有效降解，且其降解速度远远大于纯膜的降解速度。紫外光照780h后，二氧化钛含量为1%的复合膜失重达到了58.1%，而纯膜的光失重率仅为21.2%。
关键词：高密聚乙烯；光催化；二氧化钛；降解
中图分类号：O643.32+2 文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊-2507-02
1 引言
废弃聚合物聚乙烯等，因其难以自然降解而造成了日益严重的环境问题。纳米TiO2在紫外光照射后，可以产生具有强氧化性的·OH和·O2-等自由基，因而被广泛应用于有机污染物的降解和杀菌等环保领域。最近已有关于TiO2催化降解固相的聚合物的报道[1,2]，但有关纳米TiO2固相光催化氧化降解聚乙烯方面的研究目前还没有报道。通常未经表面处理的纳米TiO2颗粒被直接引入到聚合物中，会导致TiO2在聚合物中严重团聚，将大大降低TiO2的光催化效率，因此如何将TiO2颗粒均匀引入聚合物是制备高效可光降解聚合物的关键。本文首次报道了经表面处理过的纳米TiO2光催化降解高密聚乙烯的情况。
2 实验
原料：高密聚乙烯母粒(HDPE)，二氧化钛为P25(锐钛型约70%，粒径30~50nm)，钛酸酯偶联剂。
用偶联剂处理P25，然后与聚乙烯蜡混合造粒，将混合料与高密聚乙烯母粒混炼，吹塑得到HDPE- TiO2复合膜。将聚乙烯膜(4cm×4cm)置于紫外灯箱(紫外灯30W，254nm)中连续光照，每隔一段时间称量，并对光照前后的膜进行红外光谱分析(NEXUS470 FT-IR)及表面形貌分析(SEM，Hitachi X-650)。
3 结果讨论
3.1 光照HDPE-TiO2膜失重分析
图1是纯膜和含TiO2 1%的复合膜在1mW/cm2(相当于武汉冬天太阳光光强)光强下的失重曲线。由图可知，复合膜的失重率远远大于纯膜的。在紫外灯下连续光照约450h后，纯膜降解率为16.5%，TiO2含量为0.5%和1%的复合膜降解率是分别是23.1%和40.7%，光照780h后，纯膜的失重率为21.2%，二氧化钛含量为1%的复合膜失重达到了58.1%，很明显TiO2对聚乙烯膜的降解起了催化作用。
3.2 光照前后HDPE-TiO
2膜光谱分析
图2是复合膜的红外光谱图。图中1714cm-1处新峰为羰基吸收峰，而且随着时间的增加，羰基峰的强度也随之增加。纯膜由于在制造过程中引入了氧及杂质，因此在其光照过程中也伴随有羰基产生和降解现象，但是其降解速率要小于复合膜。此结果表明，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链的断裂并使其氧化成羰基，因此加速了聚乙烯膜的光氧化进程。
3.3 光照后HDPE-TiO2膜形貌分析
图3为紫外光(1mW/cm2)照射350h的纯膜和含TiO21%复合膜的表面形貌图。复合膜(b)在光照350h后表面结构被严重破坏，表面有很大的裂纹，并出现了粉化现象，并且有大量的孔洞产生，膜变成白色易碎的产物；而纯膜（a）表面仅形成裂纹，裂纹内部仍很光滑。这可能是由于纯膜中含有少量C=O等杂质也能进行断链反应，使表面开裂。而在复合膜中由于TiO2在紫外光照射下形成·OH和·O2－，他们进攻其周围的碳链，与二氧化钛表面接触的聚乙烯链首先发生反应，生成小分子的挥发物逸出，使表面变得疏松多孔，并且随着光降解反应的进行表面粉化越来越严重，表面降解越来越厉害。
4 结论
在聚乙烯中混炼纳米二氧化钛粒子形成的复合膜，在紫外光照射下，由于二氧化钛的光催化作用，复合膜能迅速发生光降解，其光降解过程是一个氧化过程。
参考文献：
[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.
作者简介：昝菱（1963－），女，重庆市人，武汉大学副教授，主要从事纳米材料的制备和应用研究。（E-mail: zhanlin@public.wh.hb.cn），Tel: 027-87682919
论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日
