聚苯乙烯热解分析

[摘 要]本文采用单光子电离飞行时间质谱仪，选用直径0.2mm的毛细管进样，在不同的加热温度下，不同的气体氛围中，采集聚苯乙烯的热解产物的种类及产物分布质谱图。得出氧气可以减小聚苯乙烯的产物浓度，并且改变其产物分布。进一步可以得到在低温下氧气可以作为减小垃圾焚烧中毒气产生的浓度和种类。聚苯乙烯在不同的加热温度下分解，不同的加热温度条件下分解产物不同。温度越高，分解产物的种类越多，浓度越大，在不同的气体氛围分布与浓度也不同。

[关键词]聚苯乙烯，热解，温度，产物分布

中图分类号：TV91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0198-01

1 引言

当今社会工业化发展迅速，人们的生活水平不断的提高，塑料因其具有质量轻、成本低、耐用、防水等优点广受人们的喜爱，在各国的使用量逐年增加。其中聚苯乙烯是比较常用的塑料之一[1]。主要用于生产电子电器的零件和包装材料等[2]。由于聚苯乙烯的广泛使用，加之其很难被降解[3]，堆积了大量的塑料垃圾，人们对于这些垃圾的处理方式一般都是焚烧处理，然而研究表明在聚苯乙烯燃烧的过程中会产生许多危害人们健康的气体[4]。本文将着重研究聚苯乙烯燃烧的第一步-热解[5][6]的过程中产物的浓度和温度及气体氛围的关系。

2 样品与实验方法

2.1 样品与实验装置

样品：聚苯乙烯颗粒（上海氯碱化工股份有限公司，PH-88SF）

仪器：飞行时间质谱仪，金属毛细管进样，温度控制器

2.2 实验方法

（1）称取5g聚苯乙烯颗粒置于样品池中，样品池的一端连接毛细管，毛细管探入到电离区，另一端与外部气体瓶相连。

（2）在样品池及管道上紧紧缠绕电阻丝，温度传感器的感应端紧紧的贴在样品池的外壁上，另一端接在温度控制器上，以便准确及时的得到样品池的加热温度。电阻丝外接可调控的电源。

（3）打开激光器，预热半小时后，调节甲光功率至300W，待激光稳定后，给三电极加压2000V，MCP（微通道板）的电压加至2000V，倍频气体池通入-0.075MPa（相对压强）。

3结果分析

PS（聚苯乙烯）在氧气浓度为0%的气氛下，如图 1所示， PS（聚苯乙烯）热解温度150℃、210℃、230℃、250℃时热解产物的质谱图。有图可以看出，在由图像可以看出，在150℃下，PS（聚苯乙烯）热解产物主要为甲苯和乙烯；在210℃下，PS（聚苯乙烯）热解产物为乙烯、甲苯和苯，在230℃时，PS（聚苯乙烯）的热解产物为乙烯、苯、甲苯和乙苯；在250℃时，产物中增加了苯乙烯。所以裂解温度对裂解产物的变化影响十分明显，随着温度的升高，热解产物的种类逐渐增加。

图2所示在90℃时PS开始分解，由于热解温度较低，裂解反应较平缓，产物比较较少，主要热解产物为乙烯和甲苯。随着热解温度的上升，热解加剧，产物逐渐变得复杂；当温度达到160℃ 时苯开始出现，并随着热解温度的提高，苯的相对百分含量也明显增多，因而在此温度下PS不仅发生热解，而且还伴有重排、环化、芳构化等过程。

图3a为PS（聚苯乙烯）在真空中加热产物分布图，产物有乙烯、苯、甲苯、苯乙烯、乙苯等。如图所示 ，产物中甲苯的百分比一直很大，开始表现为上升趋势，后在70%附近波动；乙烯则是随着温度的升高，百分比一直降低；在170℃之后，苯出现，百分比逐渐上升，在190℃时，百分比含量达到峰值，之后随着温度上升，百分比含量下降，在230℃时，苯的含量突然升高，与此同时，，出现了乙苯。之后苯和乙苯的含量逐渐降低，在250℃时，出现了苯乙烯。

氧气气氛下PS在不同温度下热解产物信号强度曲线图。从图中可以看出，在200℃时，PS开始分解。但由于温度较低，产物较少，只有甲苯、乙苯和苯乙烯，甲苯；在220℃时，，PS热解的产物中无线了苯，产物为甲苯、乙苯、

苯乙烯和苯；在250℃时，PS热解产物中出现少量乙烯。每种产物的信号强度都随着温度的增加而增强，其中甲苯增加的最为迅速。随着温度的升高，PS的热解产物的信号强度逐渐增强，说明PS热解产物的浓度随着温度的升高逐渐增加。

图3b为加入氧气后聚苯乙烯热解产物分布随温度的变化，与1.2对比，在100成二氧化碳和水。加之在100摄氏度到200摄氏度下产物浓度低，因此几乎得不到质谱峰。从200摄氏度开始甲苯、苯、苯乙烯、乙苯陆续被检测到，乙烯始终没有检测到，其中甲苯的相对百分含量区居首位，其次是苯乙烯和乙苯，而苯的相对百分含量随着温度的升高逐渐降低。原因是含氧自由基攻击芳香烃的原因。

四 结论

通过对PS在不同温度和不同氧气浓度的气体氛围中的热解过程分析，得出以下结论。

（1）PS热解过程中的产物浓度和种类随着温度的增加而增大

（2）在低温环境下，氧气对PVC塑料热解起到阻碍的作用。

参考文献

[1] Lee K H，Shin D H.Characteristics of liquid product from the pyrolysis of waste plastic mixture at low and high temperatures：Influence of lapse time of reaction[J].Waste Management，2007，27（2）：168-176.

[2] Miranda R，Pakdel H，Roy C，Vasile C.Vacuum pyrolysis of commingled plastics containing PVC（Ⅱ）：Product analysis[J].Polymer Degradation and Stability，2001，73（1）：47-67

[3]http：///link？url=zt1QGbDVvIoDx6hzQVp4a8CalJOSatuJOf9LJjkoDdD-K4TPSlz8KC1YH-pWMH5fUd7G9BLxgatam5uQXh-nqK

[4] 雍奎刚，刘忠科，刘宝钊.PVC无毒增塑剂的应用和发展[J].塑料科技，2007，35（06）：88-91

[5] Cordero，T.；Rodriguez-Maroto，J.M.；Rodriguez-Mirasol，J.，On the kinetics of thermal decomposition of wood and wood components.Thermochimica Acta 1990，1 64，1 35.

[6] Orfao，J.J.M.；Antunes，F.J.A.；Figueiredo，J.L.，Pyrolysis

kinetics of lignocelluloses materials・three independent reactions model.Fuel 1999，78，349.