《Materials Today Communications》：Breaking down building plastics: Exploring UV-induced degradation pathway and its impact on structural integrity and microplastics formation
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摘要：塑料污染这一持久的环境挑战日益严峻，凸显了理解塑料向微塑料转化的必要性。本研究探讨了建筑和施工用塑料，即聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚四氟乙烯（PTFE），在人工紫外（UV）暴露下的降解行为，以识别其向微塑料的转化过程。研究人员将塑料
摘要：塑料污染这一持久的环境挑战日益严峻，凸显了理解塑料向微塑料转化的必要性。本研究探讨了建筑和施工用塑料，即聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚四氟乙烯（PTFE），在人工紫外（UV）暴露下的降解行为，以识别其向微塑料的转化过程。研究人员将塑料暴露于波长340 nm的UV光源下，时长变化范围至1000小时。结果表明，UV降解加速了这些塑料的分解，导致其物理和化学性质发生显著变化。表面分析揭示了显著的裂纹形成和结构损伤，表明降解已达到较深阶段。光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）成像展示了塑料逐渐碎裂为更小颗粒、最终形成微塑料的过程。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱进行的化学分析，结合力学测试（拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率），证实了降解影响了聚合物的分子结构，削弱了材料强度并促使其碎裂。这些发现为建筑塑料在UV暴露下的降解行为提供了见解，并建立了化学、物理和力学劣化与表面碎裂之间的联系。这一理解可能有助于未来改善材料耐久性并减少塑料碎片向环境中释放的努力。
**建筑塑料的紫外线降解行为研究——论文解读**
**研究背景与意义**：塑料因其高耐久性、可塑性及耐候性而被广泛应用于建筑领域，约占全球塑料产量的18%。然而，建筑塑料在户外长期暴露于阳光和风化条件下，会逐渐发生老化降解并碎裂为微塑料颗粒，构成潜在的环境污染源。尽管已有学者对个别聚合物的紫外线老化行为进行过研究，但系统比较多种代表性建筑结构聚合物在同一实验框架下的降解行为，并同步追踪其化学、形态、光学和力学性能演变的研究仍然不足。因此，开展针对建筑塑料的UV诱导降解系统研究，对评估材料长期服役性能、制定报废管理决策，以及评估其对微塑料污染的潜在贡献具有重要意义。该论文发表在《Materials Today Communications》。
**研究方法概述**：研究人员选用来自Plastic Wholesale Australia Pty Ltd的三种建筑用聚合物板材——PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）和PTFE（聚四氟乙烯），依据ASTM G155-21国际标准，在340 nm波长、0.35 W/m2·nm辐照度条件下，进行分别等效于澳大利亚户外0.33至3.33年的人工UV暴露（100至1000小时）。研究综合运用了色度学分析、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱，以及单轴拉伸力学测试等多种表征手段，系统追踪了暴露过程中材料外观、表面形貌、化学结构和力学性能的演变规律。
**研究结果**：
**3.1 视觉特性的变化**：通过色度学分析，PMMA的亮度（L*）和红度（a*）保持稳定，黄度（b*）变化可忽略；PC的L*基本恒定，a*逐渐上升，b*轻微偏移；PTFE的L*轻微上升，b*略微下降。三种聚合物的光学外观和表面颜色保持稳定，未观察到显著变色。UV/Vis/NIR光谱分析表明，PMMA和PC在可见光和近红外区透过率很高，而PTFE透过率从可见光到近红外逐渐增加；各样品的光谱反射率变化均较小。PC在光学带隙上表现出略为明显的变化，说明其电子结构和化学键发生了细微调整。
**3.2 物理属性的变化**：重量变化分析显示，三种聚合物的重量随时间均呈非线性增长。PMMA在500小时和PC在750小时后呈稳定上升趋势，至1000小时分别达到7.69 mg/g和1.6 mg/g；PTFE呈逐步持续增长，最终为2.15 mg/g。研究人员推算了聚合物完全质量损失所需时间：PMMA约39年，PC约60年，PTFE可长达约167年，这与PTFE高度惰性的C-F键骨架结构一致。表面轮廓分析表明，UV暴露导致三种聚合物的表面粗糙度参数（Rp、Rv、Rz）持续攀升，其中PMMA在1000小时时Rz增加440.94%，PC为342.61%，PTFE为299.06%，降解程度排序为PMMA＞PC＞PTFE。SEM和LSCM图像揭示了表面由光滑逐步演变为粗糙、产生孔洞、剥落、裂纹和沟槽的形貌演化过程。
**3.3 化学性质的变化**：FTIR和拉曼光谱分析显示，PMMA中酯侧链的光解和自由基生成导致其官能团（如C-H弯曲、O-CH?弯曲、C-O-C伸缩等）振动峰强度显著降低，拉曼光谱中C-O和C-O-C峰在1000小时暴露后减弱或位移，证实了侧链断裂和主链碎裂。PC中羰基和指纹区域峰形变得尖锐，碳酰基峰从1770 cm?1红移至1768 cm?1，表明碳酸酯键的光氧化和结构重排；拉曼光谱中多数峰在1000小时消失，说明碳酸酯键断裂和芳香环完整性丧失。PTFE在晶态区域（504–639 cm?1）峰强降低，非晶态区域（700–800 cm?1）改变，末端-CF=CF?基团在966 cm?1处的特征峰消失，表明发生了C-F键断裂和端基不饱和键的断裂。羰基指数（CI）计算表明，不同聚合物的氧化敏感性存在差异：PMMA表现出早期轻微的CI增加，PC经历了渐进式氧化重排，PTFE在长时间暴露后才出现显著的CI增长。
**3.4 脆化行为变化**：力学测试表明，UV暴露导致三种聚合物的拉伸强度（TS）和杨氏模量（YM）总体下降，断裂伸长率（EB）在1000小时后分别下降13.72%（PMMA）、66.61%（PC）和25.62%（PTFE）。PC在100小时暴露后EB就下降了49.98%，表明其延展性急剧丧失，PMMA和PTFE的变化相对平缓。
**3.5 表面降解与微塑料生成**：SEM观察揭示了表面渐进碎裂并释放微塑料的详细路径。随着UV暴露时间延长，三种聚合物表面均出现凹槽、孔洞、剥落和裂纹，并最终形成微米级颗粒释放至环境中。通过对材料厚度效应的分析发现，聚合物完成25%重量损失所需时间随厚度增加呈线性上升，表明降解受UV扩散限制；较薄的聚合物涂层将更快完成降解。
**3.6 提出的降解途径**：PMMA的降解以UV引发的酯侧链断裂和链断裂为主，产生自由基促进氧化和羰基形成，进而导致表面开裂和机械弱化；PC的降解主要由碳酸酯键的光氧化和分子链断裂驱动，降低了材料的延展性并加速了裂纹扩展；PTFE因C-F键的高键解离能及缺乏生色团而表现出显著的UV稳定性，早期仅有有限的化学变化。
**3.7 研究启示与应用前景**：建筑和施工塑料约占总消费量的75百万吨，其大体积、长寿命和高阳光暴露性使其成为易被忽视的次生微塑料来源。不同聚合物因其化学结构差异呈现出PMAA＞PC＞PTFE的降解等级顺序。这项研究为建筑塑料的服役寿命评估、材料选择和耐UV聚合物体系设计提供了科学依据。
**讨论与结论**：通过对UV暴露过程中多种表征手段的系统评估，研究人员证实了PMMA、PC和PTFE在形态、物理、化学和力学性能上均发生显著变化，并确定了各聚合物的降解敏感时间节点：PC在500小时出现羰基指数、表面粗糙度和形态的显著变化，750小时机械性能加速劣化；PMMA在250小时即出现羰基形成和微塑料释放的早期降解特征，500小时时力学性能明显下降；PTFE表现出卓越的稳定性，所有参数直到1000小时才发生明显变化。三种建筑聚合物的降解程度排序为PMMA＞PC＞PTFE，该顺序由其聚合物化学结构、结晶度和键合结构的本质差异所决定。研究阐明了UV降解条件下由氧化、表面开裂到碎裂的微塑料形成机理路径。研究结果揭示了表面氧化、粗糙度和脆化等降解监测指标的有效性，对于建筑材料选择、耐久性评估及开发更耐UV聚合物体系具有重要的参考价值和实践意义。
