填埋场废弃聚苯乙烯老化机制研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.08.016

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (8): 100-105.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.08.016

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填埋场废弃聚苯乙烯老化机制研究

朱晨曦¹, 陈辰慧¹, 胡国明¹, 张蕾², 江伟¹()

^1.南京大学环境学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，国家有机毒物污染控制与资源化工程技术研究中心，南京 210023
^2.云南师范大学化学化工学院，昆明 650500

收稿日期:2023-11-27 出版日期:2024-08-26 发布日期:2024-08-19
通讯作者: 江伟（1983—），男，博士，教授级高级工程师，从事塑料污染控制与资源化研究，jiangwei@nju.edu.cn
E-mail:jiangwei@nju.edu.cn

Study on aging mechanism of waste polystyrene in landfill

ZHU Chenxi¹, CHEN Chenhui¹, HU Guoming¹, ZHANG Lei², JIANG Wei¹()

^1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse，National Engineering Research Center for Organic Pollution Control and Resource Reuse，School of the Environment，Nanjing University，Nanjing 210023，China
^2.Faculty of Chemistry and Chemical Engineering，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China

Received:2023-11-27 Online:2024-08-26 Published:2024-08-19
Contact: JIANG Wei E-mail:jiangwei@nju.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

模拟了废弃聚苯乙烯（PS）在垃圾填埋场环境下的光热老化，首先对老化样品前后的分子结构进行了表征；并通过X射线衍射、差示扫描量热仪测试以及纳拉扬斯瓦米⁃莫伊尼汉（TNM）模型和全原子分子动力学计算（MD）对PS老化过程中的焓松弛过程进行研究。结果表明，PS在光老化后会断链，分子量从112 200下降至13 000左右，并产生聚苯乙烯低聚物、苯甲酸酐、苯乙酮和苯甲酸甲酯等物质；此外，老化会导致PS结晶度和玻璃化转变温度的降低，其焓松弛的变化在老化初期较为迅速，随着老化的进行趋于平缓，平衡时对应的焓值为4.2 J/g。

关键词: 填埋场, 废弃聚苯乙烯, 老化行为, 性能变化, 理论计算

Abstract:

This study simulated the photo⁃thermal aging of discarded polystyrene （PS） in a landfill environment. Firstly， the molecular structure of the aged samples was characterized. The aging process of PS was then studied through X⁃ray diffraction， differential scanning calorimeter tests， and the tool⁃narayanaswamy⁃moynihan （TNM） model， along with molecular dynamics calculations of enthalpy relaxation processes.The results indicated that PS undergoes chain scission after photoaging， with the molecular weight decreasing from 112 200 to around 13 000. This process generates PS oligomers， benzoic anhydride， acetophenone， and methyl benzoate. Furthermore， aging leads to a reduction in PS crystallinity and the glass transition temperature. The enthalpy relaxation changes rapidly in the early stages of aging， gradually slowing down as aging progresses， with a corresponding enthalpy value of 4.2 J/g at equilibrium.

Key words: landfill, waste polystyrene, aging behavior, performance change, theoretical calculation

中图分类号:

TQ325.1⁺2

朱晨曦, 陈辰慧, 胡国明, 张蕾, 江伟. 填埋场废弃聚苯乙烯老化机制研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(8): 100-105.

ZHU Chenxi, CHEN Chenhui, HU Guoming, ZHANG Lei, JIANG Wei. Study on aging mechanism of waste polystyrene in landfill[J]. China Plastics, 2024, 38(8): 100-105.

图/表 9

老化天数/d	数均分子量/g·mol^-1	重均分子量/g·mol^-1	分子量分布
0	112 200	261 400	2.330
5	34 900	176 300	5.040
10	31 600	162 800	5.147
20	19 800	107 700	5.416
30	17 700	87 000	4.905
40	13 700	63 100	4.606
50	13 400	73 100	5.439
60	13 000	60 100	4.609
70	13 000	55 600	4.270
80	12 900	45 600	3.518

表1 UV加速老化处理不同时间PS的分子量分布

Tab.1 Molecular weight distribution of the PS treated with UV accelerated aging for different time

图1 UV加速老化处理不同时间的PS在4 000~500 cm-1的FTIR谱图

Fig.1 FTIR spectra of the PS after UV accelerated aging for different time in wavenumber 4 000~500 cm-1

图2 UV加速老化前后PS的TG曲线

Fig.2 TG curves of the PS before and after UV accelerated aging

图3 UV加速老化处理不同时间PS的XPS谱图

Fig.3 XPS spectra of the PS after UV accelerated aging for different time

图4 UV加速老化处理不同时间的PS的（a）~（c） 1H⁃NMR和（d） GPC谱图

Fig.4 （a）~（c） 1H⁃NMR and （d） GPC spectra of the PS after UV accelerated aging for different time

图5 UV加速老化处理不同时间PS的（a） WXRD 和（b） DSC表征

Fig.5 （a） WXRD and （b） DSC characterization of the PS after UV accelerated aging for different time

图6 PS在358 K下（a）不同老化时间比热的变化及（b）时间函数的焓损失

Fig.6 （a） changes of the specific heat at different aging time and （b） enthalpy loss of time function of the PS at 358 K

图7 PS在418.15 K和1 atm条件下密度变化的分子动力学计算

Fig.7 Molecular dynamics calculation of density change of the PS at 418.15 K and 1 atm

图8 PS在308 K和353 K等温过程中体积弛豫变化的分子动力学模拟

Fig.8 Molecular dynamic simulation of the volume relaxation changes in PS in isothermal process at 308 K and 353 K，respectively

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