应用化学发光分析法评估聚丙烯的回收性能

《Polymer Degradation and Stability》：Application of chemiluminescence analysis to evaluate the recyclability of polypropylene

本研究利用化学发光法（CL）分析，探究了聚丙烯（PP）在多次加工循环中的降解程度与氧化稳定性，提出了基于CL-air测量的可回收性评估指标，发现CL-air可同时评估降解水平与热氧化稳定性，为塑料回收提供新方法。

　　在当前全球对塑料污染日益关注的背景下，塑料的循环利用被视为实现可持续发展的关键策略之一。塑料的循环过程通常包括回收、再加工和再利用等多个阶段，其中如何准确评估塑料在回收前的降解程度和氧化稳定性，是决定其是否适合机械回收、是否需要额外的稳定化处理以及最终能否成功进入新生命周期的重要因素。这一研究聚焦于聚丙烯（PP）这一广泛应用的塑料材料，提出了一种利用化学发光（CL）分析的方法，以评估其降解状态和氧化稳定性，并进一步提出可作为塑料回收指标的参数。通过实验和数据分析，该研究揭示了CL分析在塑料回收评估中的潜力，并为实现塑料的循环利用提供了新的思路。

聚丙烯作为全球塑料生产的重要组成部分，其在制造、使用和回收过程中均可能发生氧化降解。这种降解通常由催化剂残留、加工条件以及使用环境中的氧化剂引起。氧化降解会导致聚合物链的化学结构发生变化，从而影响其物理性能和可回收性。传统的评估方法如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）虽然已被广泛应用，但它们在某些情况下可能无法及时检测到降解的早期迹象。相比之下，化学发光分析因其高灵敏度和对氧化反应的直接监测，被认为是一种更有潜力的评估工具。化学发光分析可以检测材料在氧化过程中释放的光信号，从而提供关于降解程度和氧化稳定性的关键信息。

在本研究中，科学家们对两种商业聚丙烯材料（PP1和PP2）进行了多次再加工处理，并在空气和氮气环境中分别进行了CL分析。通过比较这两种环境下的CL信号，他们发现空气环境下的CL测量（CL-air）能够有效评估聚丙烯的氧化稳定性，而氮气环境下的CL测量（CL-N2）则更适用于监测降解程度。实验结果显示，随着再加工次数的增加，PP样品的氧化诱导时间（OIT）和最大CL时间（tmax）逐渐减少，同时CL速率（RCL）增加，这表明材料的氧化稳定性在持续的加工过程中逐渐下降。此外，CL-air曲线中出现的总发光强度峰值（TLI-air）也与降解程度相关，其面积反映了材料中氧化产物的含量。这些参数不仅能够评估材料的降解状态，还能提供关于其氧化稳定性的重要信息。

研究还发现，CL-air和CL-N2测量结果之间存在线性相关性，这意味着通过单次CL-air测量，可以同时评估聚丙烯的降解程度和氧化稳定性。这种综合评估方法对于确定材料是否适合机械回收至关重要。如果材料的降解程度超过一定阈值，其氧化稳定性可能已不足以支持有效的机械回收，从而需要采用化学回收等替代方案。因此，定义明确的降解和稳定性阈值，有助于优化塑料回收流程，提高回收材料的质量和可用性。

进一步分析表明，抗氧化剂（AO）在维持聚丙烯稳定性方面起着关键作用。当材料经历多次加工后，抗氧化剂的浓度会逐渐降低，导致氧化反应的加速。研究指出，PP2的抗氧化系统在五次加工后基本耗尽，而PP1则在一次加工后即显示出显著的稳定性下降。这种差异可能与两种材料中抗氧化剂的初始浓度和种类有关。因此，抗氧化剂的种类和浓度不仅影响材料的稳定性，也决定了其在回收过程中的表现。这提示我们在进行塑料回收前，有必要对材料中的抗氧化剂进行定量分析，以更准确地评估其降解状态和稳定性。

研究还探讨了CL分析在实际塑料回收中的应用前景。通过定义一系列降解和稳定性指标，CL分析能够为塑料回收提供更全面的指导。例如，通过测量CL-air曲线的峰值面积（TLI-air）和氧化诱导时间（OIT），可以快速判断材料是否处于适合机械回收的状态。如果材料的降解程度较低，且稳定性良好，可以直接进行机械回收；若降解程度较高，但尚未达到临界点，可能需要通过添加额外的抗氧化剂来提高其稳定性；而当材料的降解程度和氧化产物含量均超过一定阈值时，则可能更适合采用化学回收方法。这种基于CL分析的“交通灯”评分系统，为塑料回收的决策提供了直观且实用的参考。

此外，研究还指出，CL分析的高灵敏度使其能够检测到材料在较低温度下的氧化过程，这对于理解塑料在不同加工条件下的行为具有重要意义。传统方法如DSC通常需要较高的温度才能检测到氧化反应，而CL分析则可以在较低温度下提供更详细的氧化信息。这不仅有助于评估材料的降解状态，还能够揭示氧化反应的机制，从而为优化回收工艺提供理论支持。

综上所述，该研究通过CL分析方法，揭示了聚丙烯在多次再加工后的降解和氧化稳定性变化，并提出了可作为塑料回收评估指标的参数。这些参数能够帮助确定材料是否适合机械回收，是否需要额外的稳定化处理，以及是否应采用其他回收方式。研究还强调了抗氧化剂在维持材料稳定性中的作用，以及定义明确的降解和稳定性阈值的重要性。未来的研究应进一步探索这些指标的阈值范围，并将其应用于其他类型的塑料材料，以推动塑料循环经济的发展。