废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征.pdf

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废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征1 废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征2 废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征3 废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征4 废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征5 废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征6
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第9卷第3期2015年9月材料研究与应用MATERJAl5RESEARCHANDAPPLICATIoNV01.9.No.3Sept.2015———文章编号:16739981(2015)03016604废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征水刘华夏,芦※璐,高远鹏,刘觉靖,廖正福,陈佳宇广东工业大学材料与能源学院。广东广州510006摘要:以回收的废弃PET为基本原料,通过化学解聚、马来酸酯化等步骤制备了一种不饱和聚酯树脂,探讨了醇解工艺条件对不饱和聚酯性能的影响.研究结果表明,在氮气氛条件下,采用1,2一丙二醇作为醇解剂,以醋酸锌为催化剂(用量为PET聚酯的1%(质量分数)),醇解温度190oC,醇解时间3.5h,可得到分子—量30005000的醇解产物;醇解产物在氮气氛下温度为190~200qc时,与顺丁烯二酸酐反应1.5h,可得到酸值低于30mgKOI-Vg,综合性能良好的不饱和聚酯树脂,为综合回收利用废弃的PET提供了一条途径.关键词:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET);回收;不饱和聚酯树脂;制备中图分类号:TQ323.4文献标识码:A聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate,PET)是由对苯二甲酸(PTA)或对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇(EG)缩聚而成的饱和聚酯,广泛应用于纺织、包装、医疗卫生、建筑、汽车等领域.随着PET聚酯用量的增加,遗弃的废PET聚酯也越来越多.传统的填埋和焚烧处理都属于资源浪费型的处理方法,且会产生二次污染,而通过共混改性直接回收所制得的产品其力学性能和产品品质均不能很好地满足使用需求,从而使该回收处理方法的经济价值大大降低.因此,研究开发新的回收技术已成为废PET聚酯回收再利用的迫切课”题【.随着原子经济概念的出现,采用化学方法回收废弃的PET愈发显示出其优势.化学回收方法就是将废旧PET聚酯解聚还原生成对苯二甲酸(PTA)、对苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)等,再将这些产物作为原材料加以利用,达到回收再利用的目的.有效地促进了PET聚酯回收行业的发展[2-31.目前.文献报道的醇解产物再应用领域包括:获得相应单体【4吲及由单体进一步制备表面活性剂[71、纺织助剂[8/、环氧固化剂【9】、液晶聚合剀姗、聚氨酯fll~21、醇酸树JJ旨[13]及不饱和聚酯树脂【州9】等.本文以回收的废弃PET为基本原料。通过化学醇解、马来酸酯化等步骤制备了一种不饱和聚酯树脂.探讨了醇解工艺条件对醇解产物性能的影响.1实验部分1.1实验材料和试剂1.1.1实验材料废旧PET聚酯片。由广州市悦诚安纤维制品有限公司友情提供.1.1.2试剂本实验所用试剂包括:l,2一丙二醇,乙酸锌,顺丁烯二酸酐,苯乙烯,对苯二酚,乙酸酐,乙酸乙酯,氢氧化钾.高氯酸等,所有试剂均为市售国产分析纯(A.R.)未经纯化直接使用.——收稿日期:20150505{基金项目:广东省产学研项目(20138090600011);广东工业大学大学生创新训练计划项目(XJ201411845088)第一作者:刘华夏(1990一),男,山东济宁入,硕士研究生※通讯作者:廖正福(1966一),男,广西桂林人,教授,博士.万方数据第9卷第3期刘华夏,等:废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征1671.2实验方法1.2.1醇解按一定配比将预先清洗并干燥过的片状废旧PET聚酯、1,2一丙二醇和醋酸锌加入到圆底四口烧瓶中,接上电动搅拌器、冷凝管、热电偶和导气管,在氮气气氛下置于电加热套内加热,温度控制在185~195oC。当PET聚酯片软化后浸没在丙二醇中时开启搅拌器。加热回流3.5h.1.2.2合成树脂当醇解产物的温度降到150oC左右时,加入一定比例的顺丁烯二酸酐(MA),将回流改为蒸馏装置,再升温进行缩聚反应,控制反应温度不超过210℃.当反应体系中酸值降到30mgKOH/g左右时终止反应.反应时间约为1.5h.1.2.3配制树脂℃当反应体系的温度降低到150时停止通入氮气,加入少量的对苯二酚,继续搅拌0.5h,当温度降℃至70~90时,加入一定量的稀释剂苯乙烯,充分搅拌,使不饱和聚酯与苯乙烯相溶,出料过滤,冷却后得到乳白色粘性液体即为不饱和聚酯树脂.1.3表征方法(1)傅立叶变换红外光谱仪(FTIR):6700型,美国Nieolet公司生产。表征PET聚酯解聚产物和不饱和聚酯树脂,分辨率4cm-1.扫描范围4000--400cm-1.(2)热重分析(TGA):Q600型,美国TA公司生℃产,分析不饱和聚酯热稳定性,升温速率为10,℃min.升温范围为25~600.—(3)旋转黏度计:RVDVHI—U型,美国Brookfield公司生产。分析不饱和聚酯树脂的黏度.(4)端基分析法:通过测定产物的羟值计算得到醇解产物的平均相对分子质量.体系羟值的计算公式为:£:!唑!坠二型.埘式(1)中,y厂滴定空白消耗的氢氧化钾标准溶液的体积,mL;V。一滴定试样消耗的氢氧化钾标准溶液的体积,mL;C。一氢氧化钾标准溶液的浓度,mol/L;叫一试料的质量,g;56.1为KOH的分子量.平均分子量是指数均分子量,由式(2)计算:M=56.1×1000×南,(2)式(2)中,56.1为KOH的分子量;f为官能度;L为体系羟值;A为体系酸值.计算醇解产物分子量时,体系的酸值一般较低。可以忽略.2结果与讨论2.1醇解温度对产物性能的影响废PET聚酯的醇解反应是一个吸热过程,升高温度有利于醇解反应的进行,但由于过高的温度会导致醇解剂丙二醇的大量挥发。在影响反应物配比的同时,也有可能引发副反应,使丙二醇氧化生成醛或醚而导致产物变黄,颜色加深。所以反应温度℃宜控制在丙二醇的沸点188附近.醇解温度对不饱和聚酯树脂外观颜色的影响列于表1,从表1可以看出,随着聚合反应温度的升高,产物的颜色逐渐加深.与市售不饱和聚酯树脂的外—观进行对比后认为聚合温度在190200oC比较合适.表1醇解温度对不饱和聚酯树脂外观颜色的影响Table1Effectsofglycolysistemperatureonthecolorofunsaturatedpolyesterresin℃反应温度,树脂颜色180一190190~200200~210210-220白色白色淡黄色黄色缩聚反应实际上是一个酯化反应。属于可逆反应,升高温度有利于排除小分子水,使反应更快地达到平衡,缩短反应的时间,促进缩聚反应的进行,但过高的温度会导致副反应的发生.2.2醇解时间对产物性能的影响醇解时间与产物平均分子量的关系如图1所示.由图1可见.随着醇解反应时间的延长,醇解产物的羟值不断增大.平均分子质量相应减小,但在醇解时间超过3.5h后,醇解产物的羟值和平均分子质量的变化趋于平稳.综合考虑产物的解聚程度和效率。认为醇解反应的时间控制在3.5h较合适.由于缩聚反应是可逆反应。在达到反应平衡后,继续延长反应时间对主反应没有太大的有利影响,反而会导致一些副反应的发生,使得产物的成分复杂,外观恶化.聚合反应时间与产物颜色的关系如表2所列,由表2可见,随着反应时间的延长,产物的颜色逐渐加深,聚合反应的时间控制在1.5h较合适.万方数据168材料研究与应用2015nj:}{矸时I'nj/h图1醇解时间对产物羟值和平均分子量的影响Fig.1Effectsofglycolysistimeonhydroxylvalueandnumber-averagemolarmassofglycolysisproducts表2醇解时间对不饱和聚醋树脂外观颜色的影响Table2Effectsofglycolysistimeontheexteriorcolorofunsaturatedpolyesterresin反应时间,}l树脂颜色11.522.5白色淡黄色淡黄色黄色2.3催化剂用量对不饱和聚酯树脂的影响聚酯的解聚反应常选用醋酸盐类作为催化剂。在各种醋酸盐中,以醋酸锌的催化效果较好,并且解聚后的产物颜色相对较浅闭.本实验选用醋酸锌作为催化剂并对其用量对醇解产物的影响作了探讨.催化剂用量对醇解产物羟值及平均分子量的影响如图2所示.从图2可以看出,废PET聚酯的醇解受催化剂的影响很大。随着催化剂用量的增加.在相同的反应时间内醇解产物的平均分子量快速减小.图2催化剂用量对醇解产物羟值及平均分子量的影响Fig.2Effectsoftheamountofcatalystonhydroxylvalueandnumber-averagemolarmassofglycolysisproducts当催化剂的用量超过1%后,产物的平均分子量基本保持不变.一般认为醋酸锌的作用机理如图3所示【21】:CH,]-o一+’J门O。队加—-----------------------一i1,-棚+}。够叽吼b一}——‘———————H,CCOOZnOOCCH。I斗‘,H,0“舢+}。岔衙m呲b一{0000…Ⅲ一删协时洲。一叭c旷。图3醋酸锌催化解聚PET的催化机理Fig.3ThecatalyticmechanismofzincacetatefordepolymerizationofPET2.4红外光谱表征图4为一定配比下丙二醇醇解废PET聚酯得到的最终醇解液及其不饱和聚酯树脂的聊R光谱.在醇解液的FTIR光谱中。3531‘cm1处强而宽的峰是一OH伸缩振动特征峰,表明醇解液中含有大量的二元醇;1722—cm一处出现CO伸缩振动峰,1276—cm一处出现CO反对称伸缩振动峰.可归结为酯基的存在;1506。1457和1405cm。1处均为苯环的伸缩振动峰。1126—cm。处为苯环CH面内弯曲振动峰.877cm一和730cm--处为苯环共轭的对位取代吸收峰,这些峰说明苯环的存在;2944cm。1和2877cm一处分别为一CH:反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰,1457cm_处为一CH2变形振动峰,以上特征峰说明存在烷基.在不饱和聚酯树脂的FI'IR光谱中,3531cm一处强而宽的峰是一OH伸缩振动特征峰,表明在不饱和聚酯端基含有少量未反应的羟‘基;1731cm1处出现C--.-.-.一O伸缩振动峰;1645cm一处为C--一C的伸缩振动峰,是不饱和聚酯中的双键特征峰:876cm一和731cm。处为苯环共轭的对位取代吸收峰,3054—cm一处是苯环上的CH伸缩振动峰;2960cm。和2885cm。1处分别为一CH2反对称和对称伸缩振动峰.上述分析结果表明,醇解产物及其不饱和聚酯树脂具有相似的结构特征.V万方数据第9卷第3期刘华夏,等:废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征1691眨投cIll图4醇解产物及其不饱和聚酯树脂的红外光谱Fig.4FWRspectraofglycolysisproductsanditsunsaturatedpolyesterresin2.5热失重分析图5为醇解产物和不饱和聚酯树脂在加热过程中的失重随温度的变化关系.由图5(a)可见,醇解产物在低温区存在少量的热分解反应,这可归因为羟基与残留的羧基之间的脱水反应.在高温区的热失重过程分为两个阶段:第一阶段发生在250~410℃,第二阶段发生在410~4500C.残炭率为4.2%.由于醇解产物具有一定的热稳定性,这为下一步不饱和聚酯树脂的合成提供了可能性.由图5(b)可见,不饱和聚酯树脂的热失重行为与醇解产物相似,树脂体系在低温区存在少量的热分解反应,这是因为羟基与残留的羧基之间脱水反应引起的,此阶的质量损失较少。说明体系的转化率较高.高温区热失重过程分为两个阶段,第一阶段发生在280~410oC,第二阶段发生在410~490oC.残炭率为8.9%,失重温度及残炭率都比相应的醇解产物高.2.6回收产物的性能基于回收废弃的PET聚酯片的醇解产物合成的不饱和聚酯树脂的基本性能列于表3.图5醇解产物及其相应的不饱和聚酯树脂的TG和DTG曲线(a)醇解产物;(b)不饱和聚酯树脂Fig.5TGandDTGcurvesofglyeolysisproductanditsunsaturatedpolyesterrein(a)glyeolysisproducts;(b)unsaturatedpolyesterresin表3由废弃PET聚酯片醇解产物合成的不饱和聚酯树脂的性能Table3PropertiesofUPRbasedonglycolysisproductsofrecycledPET3结论以PET聚酯回收料为原料,以1,2一丙二醇为醇解剂,醋酸锌为催化剂,采用醇解、顺丁烯二酸酐酯化缩聚工艺合成了不饱和聚酯树脂.主要的工艺参℃数为:在氮气氛下.醇解温度190.醇解时间3.5h,催化剂用量为PET聚酯的1%(质量分数);酯化温度为190~200oC,反应时间约为1.5h,制备出淡黄色不饱和聚酯树脂。其表观物理性能与市售不饱和聚酯树脂相近.为综合回收利用废弃的PET提供了一条途径,但此工艺的实际应用还需进一步研究.万方数据170材料研究与应用2Ol5参考文献:[1】肖淑红.回收PET合成不饱和聚酯的技术进展和建议[J】.—热固性树脂,2007,21(B8):3134.【2】陈佳宇,廖正福,刘觉靖,等.废旧PET的化学回收方法—研究进展[J】.合成材料老化与应用,2014,43(3):5964.[3】DuTrK,SONIRK.Areviewonsynthesisofvalueaddedproductsfrompolyethyleneterephthalate(PEr0waste【J】.PolymerScienceSeriesB,2013,55(7-8):430--452.[4]SAKOT,OKAJIMAI,SUGETAT,eta1.Recoveryofconstituentmonomersfrompolyethyleneterephthalatewithsupereriticalmethanol叨.PolymerJournal,2000,32(2):178-181.[5】XIGX,LUMX,SUNC.Studyondepolymerizationofwastepolyethyleneterephthalateintomonomerofbis(2一hydroxyethylterephthalate)【J】.PolymerDegradationandStability,2005,87:117-120.[6】YOSHIOKAT,OTAM,OKUWAKIA.Conversionofausedpoly(ethyleneterephthalate)bottleintooxalicacidandterephthalicacidbyoxygenoxidationinalkalinesolutionsatelevatedtemperatures[J].Industrial&EngineeringChemistry—Research,2003,42(4):675679.【7】ATTAA—M,ABDELRAUFME,MAYSOURNE,eta1.Surfactantsfromrecycledpoly(ethyleneterephthalate)wasteaswaterbasedoilspilldispersants阴.JournalofPolymer—Research,2006,13(1):3952.【8]SHUKLASR,HARADAM,JAWAI正LS.RecyclingofwastePETintousefultextileauxiliaries[J1.WasteManagement,2008,28:51-56.[9]DUTYK,SONIRK.Synthesisandcharacterizationof—bisaminoethylterephthalamidefromPETwasteanditsapplicationsashardenerinDGEBA叨.IntJHastTechnol,2014,18(1):16-26。[10】ISSAMAM.AnewapproachtoobtainKevlar-49fromPETwastebottles田.ResChemInterMed,2014,40:—30333044.[11】PATELMR,PATELJV,SINHAVK.PolymericprecursorsfromPETwasteandtheirapplicationinpolyurethanecoatings[J】.PolymerDegradationandStability,2005,90:11—1115.[12】SUZANAMC,IVANSR,MILENAMC,eta1.GlycolyzedproductsfromPETwasteandtheirapplicationinsynthesisofpolyurethanedispersions叨.ProgressinOrganicCoatings,2012,74:l15-124.[13】GAMZEG.AlkydresinsbasedonwastePETforwater-reduciblecoatingapplications叨.PolymBull,2010,64:—739748.[14】SUHDJ,PARKOO,YOONKH.Thepropertiesofunsaturatedpolyesterbasedontheglycolyzedpoly《ethyleneterephthalate)withvariousglycolcompositions[J].Polymer,2000,41(2):461466.[15】钱建华,刘坐镇,姚星.用聚酯回收料生产对苯型不饱和—聚酯树脂的研究[J】I上海化工,2007,32(2):1416.【16]VAIDYAUR,NADKARNIVM.UnsaturatedpolyestersfromPETwaste:Kineticsofpolycondensation叨.Journalofappliedpolymerscience,1987,34(1):235-245.【17]VAIDYAUR,NADKARNIVM.Unsaturatedpolyesterresinsfrompoly(ethyleneterephthalate)waste1.Synthesisandcharacterization[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,1987,26(2):194-198.Ⅺ【18】MJY,JEONGDK,SONCH,eta1.SynthesisandapplicationsofunsaturatedpolyesterresinsbasedonPETwaste[J].KoreanJChem—Eng,2007,24(6):10761083.【19]ASLANS,IMMIRZIB,LAURIENZ0P,ela1.Unsaturatedpolyesterresinsfromglycolysedwastepolyethyleneterephthalate:synthesisandcomparisonofpropertiesandperformancewithvirginresin叨.JournalofMaterials—Science,1997,32:23292336.[20】席国喜,邢新艳,孙晨.废聚酯醇解条件的研究【J1.环境科学研究,2004,17(5):38-40.[2l】曾云清,杨华,黄小青,等.回收PET醇解催化剂的研究及机理分析[J】.广东化工,2010,37(3):147-148.[22】KINTDPR,MARTINEZdeIA,BOUJJ,eta1.Poly(ethyleneterephthalate)copolymerscontainingnitroterephthalicunits.III.Methanolyticdegradation【J】.JournalofPolymerSciencePartA:PolymerChemistry.2002,40(14):2276-2285.AlcohosisofPETwasteanditsapplicationinpreparationofunsaturatedoolyesterresin--LIUHuaxia,LULu,GAOYuanpeng,LIUJuejing,LIAOZhengfu,CHENJiaynSchoolofMaterialsandEnerg),,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,ChinaAbstract:Anunsaturatedpolyesterresinwaspreparedbychemicaldepolymerizationandcondensation万方数据第9卷第3期刘华夏.等:废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征171polyesterificationwithrecycledPETaSrawmaterialsandtheeffectsofglycolysisconditionsonpropertiesoftheunsaturatedpobresterresinWaSdiscussedinthispaper.Theresultsshowedthattheoptimalglycolysisis1,2一propanediolasglycolysis.zincacetateasacatalyst(inanamountoflwt.%PETpolyester),glycolysistemperatureof190oCandglycolysistimeis3.5hunderanatmosphereofnitrogen,atwhichthemolecularweightoftheglycolysisproductsdistributedfrom3000~5000.Meanwhile,anunsaturatedpolyesterresinwithacidvaluebelow30mgKOH/gWaSobtainedbycondensationpolymerizationoftheglycolysisproductswithmaleicanhydrideatthetemperatureof—190200oCandreactiontimel.5hundertheatmosphereofnitrogen.Thecomprehensivepropertiesoftheresultedunsaturatedpolyesterresin,suchasviscosity,acidvalue,solidcontentandstability,canmeettherequirementspracticalapplication.≈№!奢!奢!爷!爷!奢!奢!奢!!哥!每!奢!奢!奢!昂!奢!名、!写、!;乱!牙、!畚!糸!糸!;氰!;乱!甜甜甜磊吧磊世献尕石茄吧名吧石也磊也写也才也矗吧写也石世名也石峙石\!分(上接第161页)YINYuel,MABeiyuel,ZHANGZhan2,YUKail1.SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUn&ersity,Shenyang110819,China,"2.SchoolofMaterialsandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,ChinaAbstract:Inthispaper,theresearchsituationofhighvalueutilizationofcoalashintreatmentsofwastewaterandgases,extractionofoxidesandraremetalsaswellaspreparationofceramicmaterialsarereviewed,andtheresearchdevelopmentdirectionsontheutilizationofcoalasharealsoproposed.Keywords:coalash;highvalueutilization;researchsituation万方数据
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