生命之旅第三部丨探究高分子聚合材料之降解途径研究及回收利用
概述
意大利诗人但丁说:世界上没有垃圾,只有放错地方的宝藏。如今看来,这句饱含哲学意味的名言放在高分子材料领域尤其合适。
聚对苯二甲酸二乙醇酯( PET)是热塑性聚酯中最主要的品种,俗称涤纶树脂。它是由对苯二甲酸二甲酯与乙二醇酯交换或以对苯二甲酸与乙二醇酯化先合成对苯二甲酸双羟乙酯,然后再进行缩聚反应而得。作为五大工程塑料之一,大量用于纺织、包装、电子电器、医疗卫生、建筑、汽车等领域。其中我们熟知且常见的聚酯纤维、碳酸饮料瓶、饮用水瓶等都是由PET制成。
随着用量的不断增加,每年以固体废弃物形式排入自然界的PET急剧增多。然而, PET在自然界中难以降解,非法填埋或焚烧处理都对环境造成巨大的压力,而与此同时造成的严重资源浪费也与低碳环保的自然趋势背道而驰。面对这一现状,目前主要是采用化学法,将废PET解聚成单体或者其他低聚物,再进一步加工利用,从而实现“变废为宝”,更好的节能减排。
本文列举了采用新型高分辨质谱 QTOF系统,对PET经乙二醇解法解聚后的反应产物进行了快速准确鉴定,鉴定流程清晰完整,可以为相关聚合物的解聚产物分析提供参考方案。
结果展示
正负模式下共计鉴定出50余种PET解聚产物,其中,主要解聚产物为PET的最小聚合单元对苯二甲酸乙二醇酯( BHET),及BHET的多聚体。此外,还鉴定到一些解聚副产物。
图1. QTOF高分辨质谱鉴定到的部分化合物提取离子流图(XIC)
数据处理策略
1. 应用 OS 软件中Fragment and Neutral Loss功能半靶向搜索目标物
OS 软件中的Fragment and Neutral Loss功能可过滤出能产生特征性子离子碎片或中性丢失的色谱峰,从而快速、准确的找到目标物。该功能对于鉴定同一类别的化合物十分高效。
从PET的聚合单元(图2)可知, m/z 149.0233为解聚物特征碎片。如图3所示,使用软件Fragment and Neutral Loss Filter功能快速过滤化合物,得到该类化合物色谱图后,点击即可看到一级和二级质谱图信息。软件Formula Finder功能可以关联一级和二级质图,自动拟合的分子式,链接到 本地数据库或者在线数据库进行检索,给出鉴定结果。使用该流程可从大量数据中快速识别和鉴定出PET解聚产物。
图2. 聚对苯二甲酸乙二醇酯基本组成单元
图3. Fragment and Neutral Loss功能进行色谱峰过滤
2. 根据PET的最小聚合单元,推导可能产生的多聚体分子式进行靶向分析
PET的最小聚合单元为BHET(C12H14O6),实际解聚时可能并未完全,因此可能有BHET二聚体(C22H22O10)、三聚体(C32H30O14)、四聚体(C42H38O18)等多聚情况,据此推断出可能的多聚体分子式比较有针对性。
将推导的多聚体分子式导入OS软件提峰,结合软件Formula Finder功能关联一级和二级质谱图,自动拟合分子式。共鉴定到最高为BHET五聚体(图4),提示在反应中PET并未解聚完全。
图4. 鉴定得到的未完全解聚物
3. 采用nonTarget模式进行非靶向提峰,鉴定出部分多聚体衍生物,以此为基础推导并验证出更多相关衍生物。
图5. nonTarget提峰结果示例,提示该化合物和PET相关
图6. 实测二级碎片与推导的BHET二聚体脱乙醇基内酯结构式的匹配结果
总结
高分子化合物一般是由多个小分子单体通过加聚(Addition)或缩聚(Condensation)反应所形成的高质量长链条,呈现三维网状结构。因此在合成产物确定、杂质成分鉴定及解聚反应物定性分析中,均会出现与最小聚合单元相关的质谱信息,即特征性子离子碎片或中性丢失。
应用OS 软件中的Fragment and Neutral Loss功能可过滤出能产生特征性子离子碎片或中性丢失的色谱峰,从而快速、准确的找到目标物,该流程对于鉴定高分子化合物十分高效。同时结合非靶向定性流程,可识别到更多色谱峰,结合自动Formula Finder计算分子式,搜索本地库或者在线库给出的化合物信息,可以对样品中其他的反应副产物进行定性。启发对反应中可能存在的副反应进行预测,定性出更多相关副产物。
本系列汇总了针对高分子聚合材料研究的众多代表性特色方案,助力您采用液质联用技术实现对高分子聚合材料的研发、生产、使用、降解、回收等全生命流程研究。
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《 QTOF系统在聚对苯二甲酸二乙醇酯(PET)解聚反应产物定性分析中的应用》
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