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丙三醇降解废弃聚酯工艺条件的研究_郑海建 丙三醇降解废弃聚酯工艺条件的研究* 郑海建,余天石,葛明桥 (江南大学生态纺织教育部重点实验室,无锡214122) 摘要  采用红外吸收光谱仪和高效液相色谱仪分析不同条件下丙三醇降解聚酯PET对得到中等分子量PET 降解产物结构和纯度的影响,并用端基分析法测试表征不同条件下反应得到的PET产物的环氧值和平均分子量。 通过分析和对比,得出PET降解产物的结构性能和中等分子量PET降解最佳工艺(温度在280℃附近,催化剂 Zn(Ac)2·2H2O占PET质量的1%,物料配比丙三醇用量是废弃PET质量的3.5...

丙三醇降解废弃聚酯工艺条件的研究_郑海建
丙三醇降解废弃聚酯工艺条件的研究* 郑海建,余天石,葛明桥 (江南大学生态纺织教育部重点实验室,无锡214122) 摘要  采用红外吸收光谱仪和高效液相色谱仪分析不同条件下丙三醇降解聚酯PET对得到中等分子量PET 降解产物结构和纯度的影响,并用端基分析法测试 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征不同条件下反应得到的PET产物的环氧值和平均分子量。 通过分析和对比,得出PET降解产物的结构性能和中等分子量PET降解最佳工艺(温度在280℃附近,催化剂 Zn(Ac)2·2H2O占PET质量的1%,物料配比丙三醇用量是废弃PET质量的3.5倍左右,醇解时间3.0h左右;醇 解产物的环氧值(EV)可达0.336,平均分子量(M)降为297)。 关键词  废弃聚酯 丙三醇 醇解 The Reaction Conditions of Waste PET Degradation by Glycerol ZHENG Haijian,YU Tianshi,GE Mingqiao (Key Laboratory of Science and Technology of Eco-Textiles,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122) Abstract  The infrared absorption spectroscopy and high-performance liquid chromatography analysis of diffe- rent conditions,glycerol depolymerization of polyester PET molecular weight PET degradation products to be mode- rate impact,and use terminal group analysis method test the epoxide number of PET products and average molecular weight in different condition.According analysis and compare,the best technology of PET products structure perfor- mance and medium molecular weight PET degradation are:temperature nearby 280℃,1% Zn(Ac)2·2H2O of PET weight,the weight of glycerin is 3.5doubles than abandon PET,the time of alcoholysis is 3h;the EV of alcoholysis products can reach 0.336,average molecular weight reduce to 297. Key words  waste polyester,glycerol,alcoholysis  *江苏省高等学校优秀科技创新团队资助 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ;苏教科[2009]10号  郑海建:男,1984年生,硕士研究生,主要研究方向为废弃纤维材料的应用 E-mail:zhj11817@163.com 葛明桥:通讯作者,男, 1957年生,博士,教授,博士生导师 E-mail:gemq57@163.com   聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)在各个行业中被广泛应 用,同时,废弃聚酯的数量也日渐增多,如不对废弃聚酯进行 回收利用,不仅会造成资源浪费,而且会给环境带来严重的 污染,因此,废弃聚酯降解再利用成为当前聚酯工业发展的 重大课题。 废弃聚酯化学降解方法较多,主要有醇解法、水解法、胺 解、氨解、对羟基苯甲酸降解、热裂解[1-4]。在实际应用中 PET的化学降解法主要有醇解法和水解法。在各种聚酯的 降解方法中,以醇解法较为成熟,主要有乙二醇醇解法、甲醇 醇解法、丙三醇醇解法。李永贵[5]利用醇解法将废气聚酯制 品用于生产纺织纤维,大大降低了聚酯对环境的污染。Ay- man M.Atta[6]和张璇[7]等将回收的聚酯用于制备表面活性 剂。郭欣欣[8]将废弃聚酯降解成低聚物,然后加入异氰酸酯 进行发泡,制备发泡材料。余天石对丙三醇解聚PET聚酯 产物进行测试与表征,初步测定了降解产物的结构和平均分 子量。已有的报道均以一元醇或者二元醇作为解聚剂,其缺 点在于在解聚过程中无法引入更多的官能团或者引入的官 能团活性较低。采用丙三醇作为解聚剂,可以引入反应活性 更大的环氧基,有利于解聚产物的进一步功能化利用。 本课题研究了丙三醇醇解涤纶废丝的工艺条件,分析了 反应温度、反应时间、催化剂含量对醇解工艺的影响;并利用 IR、HPLC等手段对产物进行分析表征。 1 实验 1.1 试剂与仪器 废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、醋酸锌Zn(Ac)2· 2H2O、丙三醇、氢氧化钠(NaOH)、盐酸、丙酮、乙醇、百里香 酚蓝、甲酚红。 DZF-6090真空干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司; AR1530/C电子精密天平,奥豪斯国际贸易有限公司;DW 调 温电热器,上海平环燃烧设备 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术有限公司;碱式滴定 管,徐州双吉化玻仪器有限公司;S212恒速搅拌器,上海梅颖 浦仪器制造有限公司。 1.2 实验步骤 将洗涤干燥的PET聚酯、催化剂Zn(Ac)2·2H2O依次 加入到连接有空气冷凝管、温度计、电动搅拌器和氮气保护 气的四口烧瓶中,缓慢升温,等催化剂完全熔融后开通氮气, 再加入PET,继续升温至PET完全溶解后开动搅拌器反应, ·123·丙三醇降解废弃聚酯工艺条件的研究/郑海建等 保持温度在一定范围内,设定反应时间。当四口瓶内物料固 体消失即醇解反应终止。反应过程中,蒸馏出未发生酯交换 反应的丙三醇和被交换下的乙二醇,从而得到降解产物。将 降解产物在200℃减压蒸馏,除去没有反应的丙三醇,得到纯 净产物。在此过程中,研究不同的反应温度、时间、物料比和 催化剂用量对解聚产物分子量的影响。 1.3 醇解产物分析 采用GB 1677-81(盐酸-丙酮法测定环氧值)对降解产物 进行环氧值测定,其步骤为: (1)取盐酸1份、丙酮30份(体积比)混合,密闭储存于 玻璃瓶中,配成盐酸-丙酮溶液。 (2)混合指示液:将甲酚红100mg溶解于26mL氢氧化 钠溶液中,溶解后用蒸馏水稀释至100mL,配制成0.1%甲 酚红溶液;将百里香酚蓝100mg溶解于22mL氢氧化钠溶 液,溶解后用蒸馏水稀释至100mL,配成0.1%百里香酚蓝溶 液;取0.1%甲酚红10mL,加0.1%百里香酚蓝溶液30mL, 混合均匀,用氢氧化钠及盐酸溶液调节pH值至中性。 (3)测定步骤:精确称取试样约0.5g,置于250mL磨口 三角锥形瓶中,精确加入盐酸-丙酮溶液至20mL密塞,摇匀 后放置暗处,静止30min,加入混合指示剂5滴,用0.2mol/L NaOH标准溶液滴定至紫蓝色,同时做空白实验。 环氧值计算:   EV=(V0-V)c/10m 式中:V0为空白试样消耗 NaOH标准溶液体积(mL);V 为 样品消耗NaOH标准溶液体积(mL);c为NaOH标准溶液 浓度(mol/L);m为样品质量(g)。 采用端基分析法确定醇解产物的平均分子量。这里平 均分子量是指数均分子量,计算公式为:   M=1000m/(V0-V)c 式中:V0为空白试样消耗 NaOH标准溶液体积(mL);V 为 样品消耗NaOH标准溶液体积(mL);c为NaOH标准溶液 浓度(mol/L);m为样品质量(g)。 分别采用Nicolet Nexus傅里叶变换红外光谱仪、高效 液相色谱仪对样品进行IR、HPLC分析。 2 结果与分析 2.1 醇解产物表征 2.1.1 红外光谱 用红外分光光度计表征降解产物的结构,其谱图如图1 所示。图1中,2882.12cm-1处的吸收峰是苯环上的氢,表明 降解产物结构中存在苯环,1716.41cm-1处的吸收峰是 Ar- COOR酯基的特征吸收峰,3374.96cm-1处的吸收峰是羟基 -OH的特征吸收峰。并且在1274.85cm-1处为-C-O的特征 吸收峰,1042.85cm-1处为醚类中C-O-C的特征吸收峰,表明 产物中存在醚键。 2.1.2 高效液相色谱 通过高效液相色谱对经醇解提纯后的产物进行定量分 析。 图2中4.868min处的峰代表醇解产物: 2.2 温度对醇解产物的影响 在反应原料的物料比、醇解剂用量、催化剂用量一定的 情况下,分析反应温度对醇解反应的影响。PET的醇解反应 是一个吸热的过程。随着温度的升高,丙三醇分子运动速度 加快,从而使丙三醇分子与PET接触的几率增加,有利于反 应的正向进行。 由图3可知,反应开始时随着反应温度的升高,醇解产 物平均分子量逐渐减少,温度对醇解影响很大;环氧值逐渐 增大,这是试验所希望的结果。在试验中发现,在200℃条件 下,观察到反应只有长时间低效率缓慢降解,所以本实验未 考察此温度以下的反应;300℃时产物已泛黄,这是试验所要 排除的。但是据文献[9-11]报道,甘油在250~340℃会发 生脱水反应,并且甘油脱水反应中还有许多副反应,如丙醛、 乙醛、甲醛、丙酮以及环甘油醚等。如若反应温度过高,不仅 会导致丙三醇的挥发损失增多,而且反应体系的颜色也会加 深。因此,整个反应的适宜温度应控制在稍低于丙三醇的沸 点(280℃附近)进行。 2.3 催化剂用量对醇解产物的影响 据文献[12-14]报道,降解PET时用的催化剂一般为 ·223· 材料导报   2012年5月第26卷专辑19 醋酸类锌盐、钴盐、锰盐、钾盐、铁盐或它们的混合物。根据 Zn2+>Mn2+>Co2+>Pb2+的金属活泼性[15],实验考虑选用 Zn(Ac)2·2H2O作催化剂。并且在实际操作中,醋酸锌的降 解效果较好且降解后产物的颜色最浅。从图4可以看出, PET醇解受催化剂醋酸锌的影响很大。当反应没有催化剂 存在时,经过反复实验,PET也可以低效率降解;随着催化 剂用量(占PET的质量分数)的不断增大,环氧值(EV)明显 增大,平均分子量(M)不断减少;当醋酸锌用量增加到 0.15%时,EV值迅速增大到0.326,平均分子量降为307;但 继续增大其用量,EV值和平均分子量基本保持不变。有学 者认为,金属盐作为废弃PET降解的催化剂时,酯键中烷氧 基的氧原子上含有共用电子对,可以与具有空轨道的锌形成 不稳定的中间络合物,增加了羰基碳原子上的正电性,使丙 三醇中氧上的未共用电子对更容易和该碳原子发生亲核反 应而成键,同时C-O键断裂,从而加速反应进程。试验表明, 醋酸锌用量占PET质量0.15%时催化效果最佳。 2.4 物料配比对醇解产物的影响 在其他条件一定的情况下,由图5可知,当m(Glycerol)∶ m(PET)=2时,测得醇解产物的环氧值为0.238,平均分子 量为421;当物料配比由2增大到2.5时,EV值明显增大。 若继续增大物料配比,羟值变化趋势平缓,当物料配比为3.5 时,EV值达到0.334,平均分子量降到299。接着再增大物 料配比,EV值及平均分子量基本不发生变化。所以,本实验 中选用的丙三醇用量是废弃PET质量的3.5倍左右。 图5 物料比对产物平均分子量及环氧值的影响 Fig.5 Influence of the proportion of materials on average molecular weight and EV of alcoholysis product 2.5 醇解时间对醇解产物的影响 由图6可知,其他各条件相同的情况下,当醇解时间由 1.5h延长到2.5h后,产物环氧值由0.134增大到0.31,平均 分子量从749降到323。此后,再延长醇解时间,EV值继续 缓慢增大,但醇解时间超过3.0h后环氧值却有下降趋势,M 相应增大,这可能是由于随着时间的延长,醇解产物又发生 聚合的缘故。这一趋势在前面红外光谱测试中(见图1), 1716.41cm-1处存在 Ar-COOR酯基的特征吸收峰得到验 证。试验表明,最佳的反应时间为3.0h。 图6 醇解时间对产物平均分子量及环氧值的影响 Fig.6 Influence of alcoholysis time on average molecular weight and EV of alcoholysis product 3 结论 废弃聚酯(PET)的醇解程度受温度、催化剂、物料配比、 醇解时间等多种因素影响。废弃PET醇解的适宜条件为: 温度280℃,催化剂Zn(Ac)2·2H2O占PET质量的1%,丙 三醇用量是废弃PET质量的3.5倍,醇解时间3.0h;醇解产 物的环氧值可达0.336,平均分子量降为297,并且产物比较 单一纯净。 参考文献 1 Shukla S R,Ajay M Harad,Laxmikant S Jawale.Chemical recycling of PET waste into hydrophobic textile dyestuffs [J].Polym Degrad Stability,2009,1(7):604 (下转第340页) ·323·丙三醇降解废弃聚酯工艺条件的研究/郑海建等 3 结论 成功制备出新型DOPO/ATH,发现其对整体中空复合 材料的阻燃性能具有明显的提高作用。粒度分布结果显示, 化学改性DOPO/ATH的平均粒径增加了198%,而球磨改 性DOPO/ATH 的平均粒径增加71%。球磨改性的改性效 果比化学改性的效果好。当球磨改性DOPO/ATH 的添加 量为20%,复合材料的LOI值达到29%,并达到了UL-94V- 0级。 参考文献 1 Alberto Corigliaono,Egidio Rizzi,Enrico Papa.Experimen- tal characterization and numerical simulations of a syntactic- foam/glass-fibre composite sandwich [J].Compos Sci Techn,2000,60:2169 2 Baskaran R,Sarojadevi M,Vijayakumar C T.Unsaturated polyester nanocomposites filled with nano alumina[J].Ma- ter Sci,2011,46:4864 3 Scudamore M J.Fire performance studies on glass-reinforced plastic laminates[J].Fire Mater,1994,18:313 4 Egglestone G T,Turley D M.Flammability of GRP for use in ship superstructures[J].Fire Mater,1994,18:255 5 Mouritz A P,Mathys Z.Post-fire mechanical properties of marine polymer composites[J].Compos Struct,1999,47: 643 6 Pereira C M C,Herrero M,Labajos F M.Preparation and properties of new flame retardant unsaturated polyester nanocomposites based on layered double hydroxides[J]. Polym Degrad Stab,2009,94:939 7 李响,钱立军,孙凌刚,等.阻燃剂的发展及其在阻燃塑料中 的应用[J].塑料,2003,32(2):79 8 Laia Haurie,Ana Inés Fernández,JoséIgnacio Velasco.Th- ermal stability and flame retardancy of LDPE/EVA blends filled with synthetic hydromagnesite/aluminium hydroxide/ montmorillonite and magnesium hydroxide/alumi-nium hy- droxide/montmorillonite mixtures[J].Polym Degrad Stab, 2007,92:1082 9 崔文广,高燕磊,王玉环,等.Nano-ATH 的表面改性及其 在ABS中的应用[J].塑料科技,2009,37(3):64 10 Hornsby P R,Watson C L.A study of the mechanism of flame retardance and smoke suppression in polymers filled with magnesium hydroxide[J].Polym Degrad Stab,1990,30 (1): 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 73 (上接第323页) 2 李永贵,李准准,葛明桥.聚酯纤维乙二醇醇解法(1):醇解 工艺[J].纺织学报,2007,28(11):21 3 李永贵,佴友兵,葛明桥.聚酯纤维乙二醇醇解法(2):醇 解产物表征[J].纺织学报,2007,28(12):12 4 邰玉蕾,赵亚娟,马希晨,等.废旧聚酯瓶片的回收新技术 [J].塑料科技,2004(4):61 5 李永贵,曹远虑,葛明桥,等.利用废气聚酯制品生产纺织纤 维[J].纺织学报,2006,27(8):101 6 Ayman M Atta,Manar E Abdel-Rauf,Nermine E May- sour,et al.Abdel-azim surfactants from re-cycled poly (ethylene terephthalate)waste as water based oil spill dis- persants[J].J Polym Res,2006,13:39 7 张璇,余天石,葛明桥.利用废弃聚酯制备Gemini表面活性 剂中间体[J].纺织学报,2009,30(10):15 8 郭欣欣,余天石,葛明桥.利用废弃聚酯制备聚氨酯泡沫 [J].纺织学报,2010,31(12):9 9 Masahide S,Hyogo K.Method for producing acrylic acid:Ja- pan,EP1710227A1[P].2005 10Antonio A S Alfaya,Yoshitaka Gushikem,San-dra C de Cas- tro.Silica-zirconia-phosphate composites:A study of their synthesis,proton exchange capacity and ammonia gas ad- sorption[J].Microp Mesop Mater,2000,39(1-2):57 11Dubois J L,Duquenne C,Holderich W.Process for dehydra- ting glycerol to acrolein:French,EP2006/000735[P].2006 12 秦梅,刘大强,陈天舒.PET废料降解制不饱和聚酯树脂的 研究[J].化学工程师,1997,60(3):11 13 Menger F M,KeiperJ S.Gemini surfactants[J].Angew Chem Int Ed,2000,39(11):906 14Kim S,Lu M.Unsaturated polyester resins basedon recycled PET:Preparation and curing behavior[J].J Appl Polym Sci, 2001,80(7):1052 15Baliga S,Wong W T.Depolymerization of poly(ethylene terephthalate)recycled from postcon sumer soft-driak bot- tles[J].Polym Sci Part A:Polym Chem,1989,27(6):2071 ·043· 材料导报   2012年5月第26卷专辑19
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