CN111157440A - 能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱及试验方法，能够收集高分子材料老化颗粒、收集高分子材料的挥发性老化产物以及高分子材料水溶性老化产物。包括：用于为高分子材料粉体提供老化和分解环境的具有光源的密闭老化试验箱体；设置在所述老化试验箱体内装有水的所述玻璃收集水槽，高分子材料粉体置于所述玻璃收集水槽内，在所述玻璃收集水槽内老化和分解；同时所述老化试验箱体收集高分子材料老化颗粒及高分子材料水溶性老化产物；用于在所述老化试验箱体与气泵之间形成气流闭循环的气流循环单元，所述气流循环单元中设置有用于收集高分子材料挥发性老化产物的气体吸附管。

Description

能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱及试验方法

技术领域

发明涉及一种老化试验箱，具体涉及一种能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱。

背景技术

高分子材料种类繁多、数量庞大，经老化、降解过程会产生复杂多样的化学物质，这些产物进入生态循环中会对环境产生影响，尤其是“微塑料”已经存在于湖海山川和我们生活中的方方面面。

高分子材料难以完全降解，处理不当会造成白色污染，在环境中也会发生复杂的物理变化和化学反应。在机械作用力、日光照射、磨损等作用下，经过长时间的暴露积累，高分子分解为尺寸很小的碎片，即“微塑料”；同时，材料中的基体高分子链段在光、氧等作用下，会发生断裂生成小分子化学物质，加入的有机小分子添加剂也会发生氧化、分解等反应。

高分子材料发生物理变化分解或脱落产生的微塑料(通常指直径或长度小于5mm的纤维、碎片或颗粒)，存在于我们生活中的方方面面，在德国啤酒、法国蜂蜜、中国食盐以及全球范围内瓶装饮用水中都发现了它的身影，其广泛分布于大气、土壤和水体中，已经入侵到了南极海域和北冰洋。由于其具有较大的比表面积、能吸附更多的污染物及更容易进入生物体等特殊性质，对水体环境造成的危害比大块塑料大的多。然而目前我国水体中微塑料的浓度、种类、分布等数据非常缺乏，相关基础研究较少，不利于微塑料的监测、管理和控制，目前，还没有规范性检测技术与相关管理措施。

高分子材料发生化学反应的产物多数为醇、醛、酸、酯、酮、酚类等有机小分子。这些种类复杂、数量庞大的高分子相关有机污染物进入环境后，对环境的影响尚不明确，鲜有研究报道。因此对高分子相关的有机污染物进行鉴定及溯源研究，是进行环境安全评价和相关毒理研究的基础，能为未来环境监测指引方向。

但是，目前其对环境的影响及相关基础研究还很不足。针对高分子相关有机污染物的鉴定及溯源研究，分析其中高分子相关污染物的种类含量，进行成分溯源时必须在自然环境中采集到有效的样品。但是样品的收集难度很大，比如从水体里采集到的水样，对其中的物质进行分离和富集时很难得到有效样品，效率低、代价大，而且富集到的样品的代表性和多样性有限，无法获得在环境中所发生的复杂的物理变化和化学反应的详细信息，特别是难以获得在复杂的物理变化和化学变化中产生的水溶性和挥发性产物的详细信息，不利于开展针对性研究。通常的研究方法是利用老化试验箱，模拟高分子材料老化降解、使用过程和暴露环境，加速高分子材料的老化和分解。

从试验研究角度来说，在老化试验箱内对高分子材料颗粒进行老化和分解与自然环境中的高分子材料的老化和分解更为相似。但目前老化试验箱存在的问题为：

(1)难以收集高分子材料老化颗粒，难以收集高分子材料挥发性老化产物，难以收集高分子材料水溶性老化产物等问题。

(2)难以在老化箱内获得实时数据信息：高分子材料挥发性老化产物通过采用化学传感器或光学传感器进行检测，但利用化学传感器直接检测挥发性老化产物浓度时，由于此类传感器易出现中毒现象，影响检测结果；而且此类传感器的输出在很大程度上会受空气扰动、现场环境变化的影响，因此该检测方法具有较差的稳定性，测量精度也不理想；利用光学传感器检测时，虽然此类传感器的核心元件外形尺寸可以很小，但是解析电路复杂，功率较大，都不适合在老化箱内使用。

此外，在不破坏老化箱的情况下，内部信息无法由外界获得。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱，能够收集高分子材料老化颗粒、收集高分子材料的挥发性老化产物以及高分子材料水溶性老化产物。

所述的能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱包括：

用于为高分子材料粉体提供老化和分解环境的具有光源的密闭老化试验箱体；

设置在所述老化试验箱体内装有水的所述玻璃收集水槽，高分子材料粉体置于所述玻璃收集水槽内，在所述玻璃收集水槽内老化和分解；同时所述老化试验箱体收集高分子材料老化颗粒及高分子材料水溶性老化产物；

用于在所述老化试验箱体与气泵之间形成气流闭循环的气流循环单元，所述气流循环单元中设置有用于收集高分子材料挥发性老化产物的气体吸附管。

作为本发明的一种优选方式：所述气流循环单元包括：气泵、进气管和气体吸附管；所述气泵的进气口与排气口分别用软管与所述进气管和气体吸附管的一端连通；所述进气管和气体吸附管的另一端伸入所述老化试验箱体内，从而在所述老化试验箱体与气泵之间形成气流闭循环。

作为本发明的一种优选方式：所述气泵为调速微型气泵。

作为本发明的一种优选方式：所述高分子材料粉体在外部利用粉体制备装置制备后放入所述玻璃收集水槽中或由设置在老化试验箱体内的粉体制备装置制备后落入所述玻璃收集水槽中。

作为本发明的一种优选方式：在所述老化试验箱体内放置透明密闭腔体，所述玻璃收集水槽位于该透明密闭腔体内；所述气流循环单元设置在该透明密闭腔体上，使所述透明密闭腔体与所述气泵之间形成气流闭循环。

作为本发明的一种优选方式：在所述老化试验箱体内设置有用于为所述气泵供电的太阳能电池板，所述太阳能电池板吸收所述老化试验箱体中的光能进行发电。

此外，本发明提供一种上述能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱在老化试验过程中进行老化产物的收集的试验方法：

通过所述玻璃收集水槽收集高分子材料老化颗粒及高分子材料水溶性老化产物；

高分子材料挥发性老化产物的收集方法为：

首先对待进行老化试验的高分子材料进行理论分析和预测，获知其在老化试验过程中可能出现的挥发性老化产物的类型，然后在老化试验箱内安装用于对该类挥发性老化产物进行检测的化学传感器；

此外，在所述老化试验箱外部设置控制器，所述化学传感器和所述气泵分别与所述控制器电连接，其中所述化学传感器用于在检测到对应的挥发性老化产物后，将电信号输出至控制器；所述控制器依据接收到的电信号控制所述气泵的开启和关闭；

老化试验开始后，所述控制器内的计时器记录老化试验开始的时刻作为零时刻；

所述化学传感器实时检测老化试验箱内是否有对应的挥发性老化产物，当检测到有对应的挥发性老化产物时，所述化学传感器输出电信号至控制器，所述控制器开启所述气泵，同时所述控制器内的计时器记录其打开所述气泵的时刻，此时在所述老化试验箱体与气泵之间形成气流闭循环，所述气体吸附管收集高分子材料老化和分解的挥发性老化产物；当所述化学传感器不再向控制器输出电信号时，所述控制器关闭循环所述气泵，同时所述控制器内的计时器记录其关闭所述泵的时刻。

此外，若在整个老化试验阶段，所述化学传感器均不响应，则重新对高分子材料的老化过程进行理论分析和预测，然后更换化学传感器，重新进行老化试验以及高分子材料老化产物的收集。

有益效果：

(1)高分子材料粉体位于玻璃收集水槽内，在玻璃收集水槽内老化和分解，通过玻璃收集水槽能够收集高分子材料老化和分解各个阶段的老化颗粒以及水溶性老化产物，有利于动态研究高分子链段的降解和断裂机理，确定特征污染物，建立高分子种类与特征污染物之间的联系。

(2)在进行挥发性老化产物收集时，将化学传感器、循环气泵与气体吸附管相结合，化学传感器仅参与老化产物的收集控制，用于判断某类挥发性老化产物的有无，进而控制循环气泵的启闭时间，而不直接进行挥发性老化产物的浓度检测，具体为：在高分子材料进行老化和分解过程中，当化学传感器有电信号输出时，控制器开启循环气泵，并且控制器内的计时器记录电信号出现的时刻，此时气泵与高分子材料进行老化和分解的密闭空间利用进气和排气通道建立起气流闭循环，排气通道上的气体吸附管可以收集高分子材料老化和分解的挥发性老化产物；当化学传感器不再输出电信号时，控制器关闭循环气泵；然后对气体吸附管获得的挥发性老化产物进行分析，采用该方案能够在时间分布上建立起老化的动态过程，获知某类挥发性老化产物在老化过程中出现的时间。

(3)采用该方法有利于后续试验方案的调整(即依据出现的产物及理论分析和预测，更换不同的化学传感器再进行实验)，有利于对老化过程及机理的分析，建立老化产物与复杂的物理变化和化学变化之间的关系，有利于动态研究高分子链段的降解和断裂机理，确定特征污染物，建立高分子种类与特征污染物之间的联系。

(4)该种挥发性气体的收集方式和控制过程包含有高分子材料老化和分解的动态信息，也解决了在老化箱内获得实时数据信息的难题。

(5)利用化学传感器的输出信号控制循环气泵的启闭时间(而不是在整个老化试验过程中循环气泵均处于开启状态)，能够降低气流循环单元的功率。

附图说明

图1为本发明的装置的左视图；

图2为本发明的装置的俯视图；

图3为高分子材料挥发性老化产物收集示意图；

图4为本发明的老化试验箱进行高分子材料挥发性老化产物收集的方法原理图。

其中：1-老化试验箱体、2-进气管、3-气体吸附管、4-气泵、5-玻璃收集水槽、6-化学传感器

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱，通过对传统老化试验箱进行改进，使其能够收集高分子材料老化颗粒、收集高分子材料的挥发性老化产物以及高分子材料水溶性老化产物。

如图1所示，该老化试验箱包括：老化试验箱体1、气流循环单元以及玻璃收集水槽5。

其中老化试验箱体1为内部设有光源的密闭箱体；装有水的玻璃收集水槽5置于该密闭箱体内，高分子材料粉体置于玻璃收集水槽5内，高分子材料粉体在老化试验箱体1中光源的作用下老化和分解。

高分子材料粉体可在外部利用粉体制备装置(如高能球磨机)制备后放入玻璃收集水槽5中，也可由设置在老化试验箱体1内的粉体制备装置制备，当由设置在老化试验箱体1内的粉体制备装置制备高分子材料粉体时，制备形成的高分子材料粉体直接落入老化试验箱体1中。

气流循环单元包括：气泵4、进气管2和气体吸附管3；

其整体连接关系为：在老化试验箱体1上分别设置有气体吸附管3和进气管2的安装孔，气体吸附管3一端通过与之对应的安装孔伸入老化试验箱体1内部，并通过气体吸附管底座固定在老化试验箱体1的上表面，气体吸附管12用来收集高分子材料的挥发性老化产物；进气管9一端通过与之对应的安装孔伸入老化试验箱体1内部，并通过进气管底座固定在老化试验箱体1的上表面上；气泵4固定安装在老化试验箱体1上表面，气泵4为循环气泵，其排气口与进气口分别用软管与进气管2和气体吸附管3顶部连接，使密闭老化试验箱体1与气泵4之间形成气流闭循环，如图2所示。

如图3所示，老化试验箱体1内玻璃收集水槽5中的高分子材料粉体在老化和分解过程中，启动气泵4，气体吸附管3随着气泵4的工作吸附老化试验箱体1内高分子材料粉体挥发性老化产物；同时玻璃收集水槽1能够收集高分子材料粉体的老化颗粒及高分子材料水溶性老化产物。

气泵4是调速微型气泵，可以按照工作需要调节气体流量。

实施例2：

为实现不对传统老化试验箱做任何改动变能够实现该集成收集高分子材料老化产物的功能时，在老化试验箱体内放置透明密闭腔体，玻璃收集水槽5位于该透明密闭腔体内；此时气流循环单元设置在该透明密闭腔体上，使透明密闭腔体与气泵4之间形成气流闭循环。玻璃收集水槽5中的高分子材料粉体利用老化试验箱体1内的光源进行高分子材料的老化和分解。

且此时为实现该装置自供电，在老化试验箱体1内设置有用于为气泵4供电的太阳能电池板，利用太阳能电池板吸收老化试验箱体1中的光能对气泵4进行供电。

实施例3：

在上述实施例1或2的基础上，本实施例提供能够集成收集高分子材料老化产物的老化试验箱进行高分子材料挥发性老化产物的收集方法。

首先依据对待进行老化试验的高分子材料的理论分析和预测，获知其在老化试验过程中可能出现的挥发性老化产物的类型，然后在老化试验箱或密闭腔体内安装用于对该类挥发性老化产物进行检测的化学传感器6(如图3所示)；

此外，在老化试验箱外部设置控制器，化学传感器6和循环气泵4分别与控制器电连接，其中化学传感器6用于在检测到对应的挥发性老化产物后，将电信号输出至控制器；控制器依据接收到的电信号控制循环气泵4的开启和关闭，具体如图4所示：

老化试验开始后(控制器内的计时器以老化试验开始的时刻作为零时刻)，化学传感器6实时检测老化试验箱(或密闭腔体)内是否有对应的挥发性老化产物，当检测到有对应的挥发性老化产物时，化学传感器6输出电信号至控制器，控制器开启循环气泵4，并且控制器内的计时器记录循环气泵4的开启时刻(即其接收到电信号的时刻)，此时气泵与高分子材料进行老化和分解的密闭空间之间利用进气通道(包括进气管2以及用于连接进气管2和气泵排气口的软管)和排气通道(包括气体吸附管3以及用于连接气体吸附管3和气泵进气口的软管)建立起气流闭循环，排气通道上的气体吸附管3可以收集高分子材料老化和分解的挥发性老化产物。当化学传感器6不再向控制器输出电信号时，表明不再产生该类挥发性老化产物，控制器关闭循环气泵4，同时控制器内的计时器记录循环气泵4的关闭时刻；通过记录循环气泵4的启闭时刻，能够获知高分子材料老化过程中产生该挥发性老化产物的时间段，从而在时间分布上建立起老化的动态过程。同时通过气体吸附管3获得高分子材料老化和分解的挥发性老化产物的试验数据，能够通过该试验数据分析高分子材料老化过程和机理。

若在整个老化试验阶段，化学传感器6均不响应(即均无电信号输出)，则表明高分子材料老化过程中没有该类挥发性老化产物产生，则重新对高分子材料的老化过程进行理论分析和预测，然后更换化学传感器，重新进行老化试验以及高分子材料老化产物的收集。

由于是对未知成分进行检测，采用上述方法能够逐步判断可能出现的化学变化及产物，并及时调整实验方案。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱，其特征在于：包括：

用于为高分子材料粉体提供老化和分解环境的具有光源的密闭老化试验箱体(1)；

设置在所述老化试验箱体(1)内装有水的所述玻璃收集水槽(5)，高分子材料粉体置于所述玻璃收集水槽(5)内，在所述玻璃收集水槽(5)内老化和分解；同时所述老化试验箱体(1)收集高分子材料老化颗粒及高分子材料水溶性老化产物；

用于在所述老化试验箱体(1)与气泵(4)之间形成气流闭循环的气流循环单元，所述气流循环单元中设置有用于收集高分子材料挥发性老化产物的气体吸附管(3)。

2.如权利要求1所述的能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱，其特征在于：所述气流循环单元包括：气泵(4)、进气管(2)和气体吸附管(3)；所述气泵(4)的进气口与排气口分别用软管与所述进气管(2)和气体吸附管(3)的一端连通；所述进气管(2)和气体吸附管(3)的另一端伸入所述老化试验箱体(1)内，从而在所述老化试验箱体(1)与气泵(4)之间形成气流闭循环。

3.如权利要求1所述的能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱，其特征在于：所述气泵(4)为调速微型气泵。

4.如权利要求1所述的能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱，其特征在于：所述高分子材料粉体在外部利用粉体制备装置制备后放入所述玻璃收集水槽(5)中或由设置在老化试验箱体(1)内的粉体制备装置制备后落入所述玻璃收集水槽(5)中。

5.如权利要求1所述的能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱，其特征在于：在所述老化试验箱体(1)内放置透明密闭腔体，所述玻璃收集水槽(5)位于该透明密闭腔体内；所述气流循环单元设置在该透明密闭腔体上，使所述透明密闭腔体与所述气泵(4)之间形成气流闭循环。

6.如权利要求5所述的能够集成收集高分子材料老化成分的老化试验箱，其特征在于：在所述老化试验箱体(1)内设置有用于为所述气泵(4)供电的太阳能电池板，所述太阳能电池板吸收所述老化试验箱体(1)中的光能进行发电。

7.老化试验箱集成收集高分子材料老化产物的试验方法，其特征在于，所述老化试验箱为上述权利要求1-6任一项所述的老化试验箱；

通过所述玻璃收集水槽(5)收集高分子材料老化颗粒及高分子材料水溶性老化产物；

高分子材料挥发性老化产物的收集方法为：

首先对待进行老化试验的高分子材料进行理论分析和预测，获知其在老化试验过程中可能出现的挥发性老化产物的类型，然后在老化试验箱内安装用于对该类挥发性老化产物进行检测的化学传感器(6)；

此外，在所述老化试验箱外部设置控制器，所述化学传感器(6)和所述气泵(4)分别与所述控制器电连接，其中所述化学传感器(6)用于在检测到对应的挥发性老化产物后，将电信号输出至控制器；所述控制器依据接收到的电信号控制所述气泵(4)的开启和关闭；

老化试验开始后，所述控制器内的计时器记录老化试验开始的时刻作为零时刻；

所述化学传感器(6)实时检测老化试验箱内是否有对应的挥发性老化产物，当检测到有对应的挥发性老化产物时，所述化学传感器(6)输出电信号至控制器，所述控制器开启所述气泵(4)，同时所述控制器内的计时器记录其打开所述气泵(4)的时刻，此时在所述老化试验箱体(1)与气泵(4)之间形成气流闭循环，所述气体吸附管(3)收集高分子材料老化和分解的挥发性老化产物；当所述化学传感器(6)不再向控制器输出电信号时，所述控制器关闭循环所述气泵(4)，同时所述控制器内的计时器记录其关闭所述泵(4)的时刻。

8.如权利要求7所述的老化试验箱集成收集高分子材料老化产物的试验方法，其特征在于，若在整个老化试验阶段，所述化学传感器(6)均不响应，则重新对高分子材料的老化过程进行理论分析和预测，然后更换化学传感器，重新进行老化试验以及高分子材料老化产物的收集。

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