一种可快速光催化降解的复合塑料的制作方法

本发明涉及到高分子塑料技术领域，具体地说是一种可快速光催化降解的复合塑料。

背景技术：

塑料制成品以质量轻、成本低、功能广等特点而广泛应用于信息、能源、工农业、交通运输等国民经济各个领域，并与钢铁、木材和水泥一起构成了现代社会中的四大基础材料，大大推动了国民经济的快速发展。但由于塑料制成品的内部结构极其稳定，在自然环境中难以达到降解，从而给环境及人民的生产生活带来了难以收拾的隐患，故称之为“白色污染”。根据相关资料表明，2011-2016年，我国塑料制成品的产量从5474.31万吨迅速增长至

7717.19万吨，年平均增长率达到了7.11％。目前我国已成为世界最大的塑料制成品生产和消费市场之一。然而全国各地对塑料垃圾的回收率极低，整体塑料垃圾仅有一成被回收，其余都堆积于自然环境中，这无论对于陆地环境还是水域环境都是一场巨大的灾难。

目前处理废弃塑料制成品的主要方式有：填埋、焚烧和回收利用等。但这些方式不是在处理垃圾的同时又衍生出新的环境污染问题，如填埋和焚烧，就是其处理方式成本过高以及收益过低致使人们丧失积极性。例如，申请号为201510977604.6的发明专利公布的一种光生物双重降解聚乙烯材料具有较好的降解性能，但其生产过程对设备以及原材料要求过高，以致整个生产成本居高不下，从而降低了人们的生产积极性。因此，废弃塑料制成品的处理至今仍是环保工作中的一大难题。

光催化技术是在环境治理、太阳能转化和自洁净等方向极具应用前景。将光催化剂掺入塑料制成品中，可制备出环境友好的光降解复合塑料。二氧化钛是一种较早研究的固体光催化剂，它具有高活性、高稳定性、低成本和无毒等优点，已被广泛应用于各个光催化领域。其机理为，在光照条件下，半导体材料二氧化钛产生光生载流子(光生电子和光生空穴)。光生电子和光生空穴在聚合物表面分别与氧气和水反应，最终均生成高活性的氧自由基。该自由基具有很强的氧化能力，是塑料制成品光催化氧化降解过程中的主要氧化剂。但二氧化钛光催化降解塑料，其效率是很低的。其一是该材料主要吸收近紫光等短波长光，而紫外光在太阳光中仅占十分之一不到；其二是光生电子和光生空穴复合率很高，进而降低了光催化活性。例如，申请号为200980128631.9的发明专利以碳改性的二氧化钛为光催化剂，掺入塑料制品当中制成可光降解的塑料，但由于该光催化剂的活性较低，致使其塑料制品仍无法在自然环境中得到充分的降解。因此制备具有高光催化活性的材料仍然是相关领域的科研工作者聚力攻关的方向。

近年来，过渡金属离子表面修饰的二氧化钛展现出极其优异的光催化性能，由于过渡金属离子对光生电子的捕抓，使光生载流子快速分离，减少复合率并在表面进行多电子还原，大大地提高了该材料的光催化活性。本发明将聚合物塑料制成品分别与铁离子表面修饰的二氧化钛、铜离子表面修饰的二氧化钛结合，制成一种可快速光催化降解的复合塑料。在氙灯光源照射下进行降解，随之对其重量进行定时的称量，重量的减小证实了该塑料制品已经逐渐被氧化，最终生成二氧化碳和水。

技术实现要素：

针对现有塑料制成品降解性能较差，本发明提供了一种可快速光催化降解的复合塑料，其制作成本低，在保留原有机械性能的前提下可快速进行光催化降解。

根据本发明的技术方案描述，一种可快速光催化降解的复合塑料包含分散均匀且具有极其优异的光催化性能的铜离子表面修饰的二氧化钛，其特别是以细分散体的形式。

根据本发明的技术方案描述，一种可快速光催化降解的复合塑料包含分散均匀且具有较为优异的光催化性能的铁离子表面修饰的二氧化钛，其特别是以细分散体的形式。

根据本发明的技术方案描述，一种可快速光催化降解的复合塑料制备过程中所应用到的光催化剂包括二氧化钛、铁离子表面修饰的二氧化钛和铜离子表面修饰的二氧化钛。

根据本发明的技术方案描述，为了进一步提高根据本发明制作的复合塑料的光降解性能，将塑料制品中铜或者铁离子表面修饰的二氧化钛的含量为0.5-10wt％。

根据本发明的技术方案描述，为了进一步提高根据本发明制作的复合塑料的光降解性能，将铜离子表面修饰的二氧化钛中铜离子含量调整至0.01-0.5wt％。

根据本发明的技术方案描述，为了进一步提高根据本发明制作的复合塑料的光降解性能，将铁离子表面修饰的二氧化钛中铁离子含量调整至0.01-1wt％。

根据本发明的技术方案描述，通过在聚乙烯塑料中分别掺入铁离子表面修饰的二氧化钛和铜离子表面修饰的二氧化钛，该复合塑料在自然环境中可快速进行光催化降解。复合塑料在单位时间内的失重率作为量度。本发明的核心内容是选择铁离子表面修饰的二氧化钛和铜离子表面修饰的二氧化钛，由于铁离子、铜离子对光生电子的捕抓，使光生载流子快速分离，减少复合率并在表面进行多电子还原，且与未修饰的纯二氧化钛相比，可扩大光响应范围(光波波长≥400nm)，大大地提高了该材料的光催化活性。

根据本发明的技术方案描述，其优势在于，制成的光催化剂和复合塑料的光催化性能由以下实施例所示，与对照实验相比，铁离子表面修饰的二氧化钛和铜离子表面修饰的二氧化钛均展现出优异的光催化性能。例如，在氙灯光源光照240h后，例4复合塑料的失重率最高，可达到30.07％。

附图说明

图1为本发明的实施例1、2、3制成的光催化剂的紫外可见漫反射谱图

图2为本发明的实施例4、5、6、7制成的塑料制品样品的红外光谱图。

图3为本发明的实施例4、5、6、7制成的塑料制品样品的失重率图。

图4为本发明的实施例4、5、6、7制成的塑料制品样品图

具体实施方式

以下列实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例中可快速光催化降解的塑料制品的重量计份，为以下范围内的任一值:聚乙烯塑料100份、光催化剂0-4份。其中所述的光催化剂为锐钛矿二氧化钛和铜离子表面修饰的锐钛矿二氧化钛。

实施例1

铜离子表面修饰锐钛矿二氧化钛的制备：取1g锐钛矿二氧化钛和0.00268g二水合氯化铜(含铜离子0.001g)分散于10ml的去离子水。随后在90℃水浴条件下，保温磁力搅拌1h。接着过滤并用去离子水多次洗涤。最后在110℃烘箱内保温24h，烘干后研磨。

实施例2

铁离子表面修饰锐钛矿二氧化钛的制备：取1g锐钛矿二氧化钛和0.00484g六水合氯化铁(含铁离子0.001g)分散于10ml的去离子水。随后在90℃水浴条件下，保温磁力搅拌1h。接着过滤并用去离子水多次洗涤。最后在110℃烘箱内保温24h，烘干后研磨。

实施例3

未修饰单纯的锐钛矿二氧化钛的处理：取1g锐钛矿二氧化钛分散于10ml的去离子水。随后在90℃水浴条件下，保温磁力搅拌1h。接着过滤并用去离子水多次洗涤。最后在

110℃烘箱内保温24h，烘干后研磨。

实施例4

包含铜离子表面修饰的锐钛矿二氧化钛的复合塑料的制备：取100份聚乙烯塑料加入到50ml圆底烧瓶。然后移取25ml二甲苯有机溶液加入上述圆底烧瓶中，接着100℃油浴条件下磁力搅拌，保温2h。待聚乙烯塑料完全熔融后，加入4份铜离子表面修饰的锐钛矿二氧化钛，并继续磁力搅拌1h至其完全分散。最后移取15ml混合溶液加入烧杯中，室温磁力搅拌20s,接着一次性倒入直径为9cm玻璃培养皿中，通风处自然晾干48h即可制成。

将上述所制成的复合塑料进行光催化降解：把制得的复合塑料裁剪面积为3cm*3cm大小置于氙灯光源下照射，该氙灯光源功率为300w，样品与光源之间的垂直距离为50cm。光照240h后，该复合塑料的失重率为30.07％。

实施例5

包含铜离子表面修饰的锐钛矿二氧化钛的复合塑料的制备：取100份聚乙烯塑料加入到50ml圆底烧瓶。然后移取25ml二甲苯有机溶液加入上述圆底烧瓶中，接着100℃油浴条件下磁力搅拌，保温2h。待聚乙烯塑料完全熔融后，加入2份铜离子表面修饰的锐钛矿二氧化钛，并继续磁力搅拌1h至其完全分散。最后移取15ml混合溶液加入烧杯中，室温磁力搅拌20s,接着一次性倒入直径为9cm玻璃培养皿中，通风处自然晾干48h即可制成。

将上述所制成的复合塑料进行光催化降解：把制得的复合塑料裁剪面积为3cm*3cm大小置于氙灯光源下照射，该氙灯光源功率为300w，样品与光源之间的垂直距离为50cm。光照240h后，该复合塑料的失重率为13.93％。

实施例6

包含未表面修饰纯的锐钛矿二氧化钛的复合塑料的制备：取100份聚乙烯塑料加入到50ml圆底烧瓶。然后移取25ml二甲苯有机溶液加入上述圆底烧瓶中，接着在100℃油浴条件下磁力搅拌，保温2h。待聚乙烯塑料完全熔融后，加入2份单纯的锐钛矿二氧化钛，并继续磁力搅拌1h至其完全分散。最后移取15ml混合溶液加入烧杯中，室温磁力搅拌20s,接着一次性倒入直径为9cm玻璃培养皿中，通风处自然晾干48h即可制成。

将上述所制成的复合塑料进行光催化降解：把制得的复合塑料裁剪面积为3cm*3cm大小置于氙灯光源下照射，该氙灯光源功率为300w，样品与光源之间的垂直距离为50cm。光照240h后，该复合塑料的失重率为6.82％。

实施例7

未包含任何光催化剂单纯的塑料的制备：取100份聚乙烯塑料加入到50ml圆底烧瓶。然后移取25ml的二甲苯有机溶液加入上述圆底烧瓶中，接着100℃油浴条件下磁力搅拌，保温2h。最后待聚乙烯塑料完全熔融，移取15ml混合溶液加入烧杯中，室温磁力搅拌20s,接着一次性倒入直径为9cm玻璃培养皿中，通风处自然晾干48h即可制成。

将上述所制成的复合塑料进行光催化降解：把制得的复合塑料裁剪面积为3cm*3cm大小置于氙灯光源下照射，该氙灯光源功率为300w，样品与光源之间的垂直距离为50cm。光照240h后，该复合塑料的失重率为2.68％。