作者:佚名 来源于:世界儿童文学网
尽管第一种合成塑料(如电木)出现在20世纪初,但直到二战之后,塑料才被大规模生产和使用,其增长之迅速,甚至已经超过了大多数其他人造材料。有研究者估计,截至到2015年,人类生产了 83 亿吨塑料 [1]。然而,当你翻出吃灰的游戏机,或一卷古早的包装胶带,会发现这些塑料(尤其是白色塑料)会随着时间的推移而逐渐变黄,仿佛写满了岁月的沧桑。如果塑料制品经常沐浴在阳光下,这种现象会更加明显。

长期以来,人们提出了许多塑料变黄的原因,主要分两个方面:一是材料退化,二是外部污染。其中,材料退化主要指热降解和光降解。受到氧气、臭氧等氧化剂作用,高分子材料发生老化,产生羟基、羰基等发色基团,导致材料变色 [2]。此外,紫外线等光辐射也是高分子材料发生老化和降解的驱动力 [3]。环境应力甚至也可能使助剂析出至高分子材料表面,导致塑料变色 [4]。而外部污染导致变色的情况则更为复杂。

近日,美国明尼苏达大学德卢斯分校Melissa A. Maurer-Jones等研究者对上述观点提出了质疑,他们认为高分子(如聚乙烯)被氧化后产生的羟基、羰基等官能团,通常的吸光度在~280 nm处,并不能完全解释塑料变黄的原因。他们在ACS Applied Polymer Materials 杂志上发表论文,利用圆二色光谱证明,塑料表面手性纳米结构的形成是塑料变黄的潜在罪魁祸首。

圆二色光谱(CD)是一种研究生物样品的常用工具,广泛应用于蛋白质二级结构的测定。理论上,聚乙烯不应表现出手性结构,改变薄膜方向也不应影响光谱采集。然而,研究者测试了老化前后聚乙烯和牛血清白蛋白(BSA)之间的相互作用,发现薄膜取向不同,光谱存在显著差异,尤其是经过老化处理的聚乙烯薄膜。这表明,薄膜表面产生了某种具有手性的光学活性结构。
无论降解途径如何,观察到的塑料泛黄现象都是一致的。光降解后,聚乙烯的红外光谱确实出现了明显的羰基峰,却没有揭示任何可能导致变黄的特定分子结构。且聚合物表面粗糙度明显增加,整体的结晶度提高,并主要发生于表面。因此,研究者猜测,聚合物表面在热降解和光降解中,表面均发生了类似的重排反应,产生了手性超分子结构,并因此导致了偏振现象,将入射的圆二色光谱反转。
随后,研究者利用非偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光这三种入射光,对光降解72小时后的聚乙烯薄膜悬浮液进行测量,研究老化高分子的光散射情况。结果表明,老化后的聚乙烯在以625 nm为中心的可见光范围内优先散射,无论暴露在哪种形式的可见光下,都会显示出明显的泛黄特点,且优先散射手性光。
了解聚合物为什么会随着时间的推移而发黄,是改善高分子材料材料性能、提高塑料产品使用寿命的关键,比如,在塑料表面进行纳米级超分子结构的修饰,来抑制手性重排反应的发生。或许,研究者的结果也可以为塑料降解提供另一个方向,从微观分子结构出发,使未来塑料的性能更加可控。
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