Что такое гидролиз пластмасс?

Пластики разлагаются в воде путем гидролиза. Молекулы воды способны реагировать с определенными химическими связями в полимерных цепях, образуя новые молекулы.

Эти новые молекулы обычно имеют гораздо меньшую длину. Этот процесс происходит в несколько этапов, как показано на рисунке ниже.

Этап гидратации (этап 1): Водная среда проникает в полимерную матрицу и нарушает вторичные силы. Это вызывает расслабление полимера и снижение температуры стеклования.

На этом начальном этапе молекулы воды действуют как крошечные клинья, которые постепенно проникают в сложную сетчатую структуру полимерной матрицы. Вторичные силы, такие как водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, которые удерживают полимерные цепи в относительно упорядоченном состоянии, ослабляются из-за проникновения воды.

Точно так же, как аккуратно сложенная стопка карт слегка нарушается, полимерные цепи начинают двигаться более свободно, что приводит к расслаблению структуры материала.

В результате температура стеклования (температура, при которой полимер переходит из твердого стекловидного состояния в более гибкое резиновое состояние) снижается. Это делает полимер более восприимчивым к дальнейшим химическим и физическим изменениям, поскольку полимерные цепи становятся более подвижными и доступными для других реагентов.

Например, в условиях высокой влажности пластики на основе полиамида гидратируются относительно быстро, и снижение их температуры стеклования можно наблюдать за короткий период времени, что, в свою очередь, изменяет механические свойства материала при комнатной температуре.

Начальная стадия разложения (этап 2): В областях, где полимер гидратирован, ковалентные связи в основной цепи полимера начинают разрушаться.

Это приводит к снижению молекулярной массы полимера. По мере прогрессирования гидролиза реакция гидролиза внутри полимерной матрицы автокатализируется увеличивающимся количеством карбоксильных концевых групп, что вызывает дальнейшее снижение молекулярной массы полимера.

По мере снижения молекулярной массы полимер также теряет свою механическую прочность, но при этом сохраняет свою целостность. Когда ковалентные связи в основной цепи полимера (например, сложные эфирные связи, амидные связи или карбонатные связи) вступают в контакт с молекулами воды, происходит химическая реакция.

Молекулы воды распадаются, и атом водорода присоединяется к одной части полимерной цепи, а гидроксильная группа — к другой части, эффективно разрушая ковалентную связь.

Например, в пластиках на основе полиэстера, таких как полиэтилентерефталат (PET), сложные эфирные связи особенно подвержены гидролизу. Когда эти связи разрушаются, длинные полимерные цепи распадаются на более короткие цепи, а молекулярная масса уменьшается.

Новообразованные карбоксильные концевые группы катализируют дальнейшие реакции гидролиза. Этот самоускоряющийся процесс означает, что как только гидролиз начинается, его скорость, как правило, увеличивается со временем. По мере снижения молекулярной массы способность полимера сопротивляться внешним силам, таким как натяжение или давление, уменьшается. Однако материал все еще сохраняет свою общую форму, хотя становится более гибким и менее прочным.

Дальнейшее разложение (этап 3): Молекулярная масса полимера продолжает снижаться до тех пор, пока не достигается порог, при котором полимер больше не может сохранять свою целостность и начинает испытывать заметную потерю массы. По мере продолжения реакции гидролиза и дальнейшего снижения молекулярной массы полимер достигает критической точки.

Оставшиеся молекулярные цепи становятся слишком короткими и слишком слабыми, чтобы поддерживать структурную целостность материала. Это похоже на веревку, которая износилась и распалась на множество маленьких кусочков, которые больше не могут выдерживать никакой вес. На этом этапе полимер начинает распадаться на более мелкие части.

Например, пластиковая пленка, подвергающаяся гидролизу, может начать образовывать небольшие отверстия, а края могут начать крошиться. Эти кусочки затем дополнительно разрушаются другими факторами окружающей среды, такими как поток воды или микроорганизмы, что приводит к заметной потере массы.

Полимер, который ранее имел определенную форму и размер, начинает распадаться и становиться более рассеянным в окружающей среде.

Фаза растворения или эрозии (этап 4): Масса полимера уменьшается, и его фрагменты дополнительно разрушаются до молекул, которые растворимы в среде. На этом заключительном этапе небольшие фрагменты полимера разрушаются до еще меньших молекул и растворяются в воде.

Эти растворимые молекулы затем уносятся потоком воды, вызывая исчезновение пластика с его первоначального места. Этот процесс похож на растворение сахара в воде.

На примере пластиков, такие вещества, как олигомеры молочной кислоты, которые могут образовываться во время гидролиза полимолочной кислоты (PLA), способны растворяться в воде и переноситься в другие части окружающей среды.

Это не только приводит к полному исчезновению исходного пластикового материала, но также оказывает влияние на окружающую экосистему.

Эти растворенные молекулы могут быть поглощены водными организмами, потенциально причиняя вред через биоаккумуляцию или нарушая нормальные биологические процессы.

Скорость и степень гидролиза пластика зависят от множества факторов. Температура играет ключевую роль, и, как правило, чем выше температура, тем больше энергии предоставляется для химической реакции, и тем быстрее происходит реакция гидролиза.

pH воды также влияет на процесс гидролиза, и некоторые пластики разлагаются быстрее в кислой или щелочной среде.

Кроме того, наличие природных или синтетических катализаторов может ускорить процесс гидролиза. Понимание гидролиза пластика имеет решающее значение для разработки стратегий управления пластиковыми отходами в водной среде, таких как проектирование более биоразлагаемых пластиков или улучшение процессов обработки отходов для предотвращения выброса вредных продуктов разложения.

Наша платформа соединяет сотни проверенных китайских поставщиков химической продукции с покупателями по всему миру, способствуя прозрачным сделкам, лучшим бизнес-возможностям и высокоценным партнерствам. Независимо от того, ищете ли вы массовые товары, специализированные химикаты или услуги по индивидуальной закупке, TDD-Global заслуживает доверия как ваш первый выбор.