随着石油化工产业的发展，塑料制品在生活中被广泛应用[1]，塑料为日常生活带来了很大的便利，但塑料的难降解性，对环境的潜在影响越来越大[2-3]。目前，国内外已经提出多种解决废塑料难题的方法[4]，其中，光降解塑料的优势最为明显。光降解塑料具有合成工艺简单、降解效率高、成本低的优点[5-6]，共有两种类型，一种是共聚型光降解体系[7]，另一种是添加型光降解体系[8]。本实验提出一种新型的光降解添加剂——芳基三唑，将芳基三唑分子添加到低密度聚乙烯(LDPE)中制成薄膜，对比添加光降解剂前后LDPE薄膜的物理化学性质，探究芳基三唑光敏剂的光降解性能，并对最佳添加量进行探讨。1实验部分1.1主要原料芳基三唑，分析纯，美国西格玛公司；聚乙烯(LDPE)，Q210，上海石化有限公司；无水乙醇，分析纯，上海泰坦科技有限公司；N,N-二甲基甲酰胺，分析纯，美国西格玛公司。1.2仪器与设备电子天平，AL204，上海精密科学仪器有限公司；鼓风干燥箱，DHG-9070A，上海华连医疗器械有限公司；自动刮膜机，MEMCCASTPLUS，香港普罗美特有限公司；电子万能材料试验机，3300series，美国Instron公司；傅里叶红外光谱仪(FTIR)，Spectrum 100，PerkinElmer；扫描电子显微镜(SEM)，NOVA Nano SEM450，美国EFI公司；紫外分光光度计(UV-Vis)，U-3900/3900H，日本日立公司；光化学反应仪，XPA，南京胥江机电厂。1.3样品制备将购买的LDPE塑料放入纯净水中超声30 min去除表面的杂质，取出后放入85 ℃的鼓风干燥箱24 h，待烘干多余水分后浸没于无水乙醇(其中包含与LDPE质量百分比为0.1%、0.2%、0.3%的芳基三唑)中超声溶解2 h，渗入完全后使用自动刮膜机制备复合膜后浸入冷却水中，此时液态膜转将转变为固态膜。将固态膜放入真空干燥箱中(45 ℃、100 Pa)12 h，干燥完全后剪切为10 cm×10 cm小块，备用。表1为具体的实验方案设计表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T001表1实验方案Tab.1Experimental schemem(芳基三唑)/g123m(LDPE)/g100010001000m(芳基三唑)/m(LDPE)/%0.10.20.31.4性能测试与表征拉伸强度测试：按GB 1040——2018进行测试。断裂伸长率测试：按GB 1040——2018进行测试。FTIR测试：样品2 mg，测试范围为4 000~500 cm-1。TG测试：样品0.5 mg，空气气氛，升温速率20 ℃/min。UV-Vis测试：用空气做背景矫正基线后，将样品放入薄膜支架中即可直接测定其紫外光谱。2结果与讨论2.1物理力学性能分析图1和图2为光照时间与光敏剂含量对LDPE拉伸强度和断裂伸长率的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F001图1芳基三唑含量对LDPE拉伸强度的影响Fig.1The influence of aryltriazole content on the tensile strength of LDPE10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F002图2芳基三唑含量对LDPE断裂伸长率的影响Fig.2The effect of aryltriazole content on LDPE breaking elongation从图1可以看出，LDPE的拉伸强度在光敏剂的作用下随着光照时间的增加先稍微提高后不断下降，提高的原因是在光照的情况下，LDPE会发生交联作用，在光照初期交联作用大于光敏剂的降解作用。同时，随着芳基三唑含量的增加，在同等光照时间下拉伸强度会降低更多。从图2可以看出，LDPE的断裂伸长率随着光照时间的增加呈现出不断下降的趋势，且光敏剂的含量越多降解作用越强。因此，LDPE在光敏剂的作用下，拉伸强度和断裂伸长率最终均发生降低，可知光敏剂芳基三唑具有分解LDPE的作用。表2为LDPE薄膜光照前后的分子量分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T002表2LDPE薄膜光照前后的分子量分析Tab.2Molecular weight analysis of LDPE film before and after illumination样品数均分子量Mn重均分子量Mw光照前光照后光照前光照后LDPE1521501257812308LDPE/0.1%芳基三唑159158102308640LDPE/0.2%芳基三唑162157101608230LDPE/0.3%芳基三唑165155100437560g·mol-1g·mol-1从表2可以看出，在300 W的紫外灯下，累计照射时间达到180 h后，不同光敏剂含量LDPE薄膜的Mw均有所下降。不含光敏剂的纯LDPE薄膜Mw的下降程度为2.15%，而添加芳基三唑后，薄膜Mw分别降解了15.54%、19.00%、24.72%。由此得出结论，添加芳基三唑光降解剂很大程度地促进了塑料薄膜的光降解进程，其中，0.3%的芳基三唑含量为最优添加量。2.2FTIR分析图3为紫外灯照射前后的添加0.3%的芳基三唑光敏剂LDPE的FTIR谱图。从图3可以看出，3 600 cm-1处出现了羟基(—OH)的吸收峰，1 950 cm-1处出现了羧基(—COOH)的吸收峰，在1 750 cm-1处出现了羰基(C=O)的吸收峰，证明紫外线照射产生了较大的交联度，自由基反应在LDPE中被引发，光降解过程发生。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F003图3紫外灯照射前、后的LDPE薄膜的FTIR谱图Fig.3FTIR spectra of LDPE film before and after UV lamp irradiation2.3UV-Vis光谱分析图4为纯LDPE薄膜与添加光敏剂含量为0.3%的LDPE薄膜的UV-Vis谱图。从图4可以看出，在190~450 nm波长范围，添加光敏剂的LDPE薄膜的吸光度大于纯LDPE薄膜的。而这个波长范围是包括可见光与紫外光，说明添加光敏剂后，塑料薄膜在紫外可见光区的吸光能力变强，这是芳基三唑分子产生单线态氧，引发自由基氧化反应的必要条件。表明添加芳基三唑后有助于塑料薄膜对紫外可见光的吸收，增大了光降解反应发生的可能性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F004图4加入光敏剂前后塑料薄膜的紫外吸收光谱Fig.4UV absorption spectrum of plastic film before and after adding photosensitizer2.4TG分析图5为LDPE/0.3%芳基三唑样品的TG曲线。从图5可以看出，在0~250 ℃时曲线出现略微下降，此时为样品中的水分挥发。随着温度的升高，在250 ℃开始热分解，LDPE/0.3%芳基三唑会发生长链断裂，分子式重排等反应。350 ℃达到分解速率最高点，在此温度下残留物会和空气中的氧气发生反应生成CO、CO2等气体，并于500 ℃时基本分解完全。最终测试稳定后的残炭率为19%，坩埚中留下不与空气发生反的纯碳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F005图5LDPE/0.3%芳基三唑TG曲线Fig.5TG curves of LDPE/0.3% aryltriazole2.5微观结构分析图6为纯LDPE薄膜和添加芳基三唑(0.3%)的LDPE塑料样品在光照前和光照180 h后的SEM照片。从图6可以看出，添加光敏剂前后塑料薄膜的表面结构无明显变化，光照前的LDPE塑料的表面较为粗糙，没有明显的空隙。随着光照条件的引入，芳基三唑受到激发导致LDPE表面结构开始分解，随着光照时间逐渐达到180 h，塑料呈现出大小不一的孔状结构。该微观结构说明在芳基三唑的存在下，光照能够引发LDPE的降解。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F006图6LDPE薄膜、LDPE/0.3%芳基三唑薄膜光照前后的SEM照片Fig.6SEM images of LDPE film, LDPE/0.3% aryltriazole film before and after illumination3结论本实验制备了三种光敏剂含量的光降解塑料薄膜，确认了最佳光敏剂含量为0.3%，在此条件下光照180 h后塑料薄膜分解了24.72%，断裂伸长率为原始的44%，拉伸强度为原始的83.5%，表明芳基三唑对LDPE薄膜的光降解过程有促进作用，降解效果明显，此方法制备的光降解塑料具有良好的光降解性能。