廢聚酯制備對苯二甲酸二異辛酯工藝條件的研究

李 蕾，關(guān)瑞彪，張玉文

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

聚酯主要指聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，是一類性能優(yōu)異、用途廣泛的工程塑料，可用于滌綸纖維的制造、飲料瓶、食品包裝、工程塑料等多個(gè)領(lǐng)域[1]。隨著人口的增加和生活水平的提升，對PET聚酯的需求也越來越多，產(chǎn)生了大量的廢舊聚酯，例如日常的飲料瓶、廢棄的纖維滌綸材質(zhì)的衣物等，因?yàn)楸旧砗茈y被空氣或者是微生物降解，會對環(huán)境造成破壞[2]。

對苯二甲酸二異辛酯(DOTP)是一種具有良好的耐熱性、耐寒性、耐抽出性、熱穩(wěn)定性、柔軟性以及低揮發(fā)性的增塑劑，主要用于醫(yī)用塑料、膠布、鞋材、地板革、水管、膠帶等產(chǎn)品中[3]。利用廢聚酯可以生產(chǎn)對苯二甲酸二異辛酯(DOTP)，達(dá)到降低成本，減少對石油消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的作用，同時(shí)可以處理廢聚酯對環(huán)境的污染。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：聚酯廢料、異辛醇、鈦酸四丁酯、無水醋酸鋅、活性炭顆粒、碳酸鈉、硅藻土等。實(shí)驗(yàn)儀器：電子恒速攪拌器、調(diào)溫電熱套、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、溫度計(jì)、電子天平、循環(huán)水式多用真空泵等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

用過量的異辛醇置換聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的乙二醇，其中包括廢聚酯被醇解和酯交換的反應(yīng)，再分離出乙二醇和過量的異辛醇，從而得到DOTP[4]。

(1)廢聚酯與異辛醇的醇解反應(yīng)：

(2)廢聚酯與異辛醇的酯交換反應(yīng)

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

稱量計(jì)算量的聚酯廢料，裝入500mL三口燒瓶中，再加入計(jì)算量的異辛醇和催化劑，開動攪拌器均勻攪拌，并且緩慢加熱，溫度控制在200℃左右，保持一段時(shí)間，等到乙二醇被異辛醇置換完畢，且完全蒸出在分水器中，終止反應(yīng)。將得到的產(chǎn)品測量pH值，并為其調(diào)制到中性，然后加入活性炭除雜，再抽濾，但抽濾前的液體中含有較多難溶性雜質(zhì)，粘稠度較高，不易直接抽濾，所以加入硅藻土作助濾劑，用布氏漏斗抽濾，除去難溶性的雜質(zhì)，然后將過濾后的濾液進(jìn)行200度以上的常壓蒸餾，蒸餾掉過量的異辛醇，最終的產(chǎn)品為有一定粘度的淡黃色液體，稱量體積和質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料配比對反應(yīng)的影響

反應(yīng)的溫度(200～210℃)，反應(yīng)的時(shí)間(6h)，催化劑(0.2%醋酸鋅/鈦酸四丁酯1∶1混合催化劑)，測定原料廢聚酯和異辛醇物質(zhì)的量比(廢聚酯/異辛醇)的不同(原料配比1∶2、

1∶3、1∶3.5、1∶4、1∶4.5)對產(chǎn)品收率的影響見圖1所示。

從圖1中可以看出來，產(chǎn)品收率隨著原料的物質(zhì)的量比的增大而出現(xiàn)了極大值，原料的物質(zhì)的量比為1∶4時(shí)，產(chǎn)品收率最高；當(dāng)繼續(xù)增大原料物質(zhì)的量比時(shí)，產(chǎn)品收率開始降低。實(shí)驗(yàn)過程中觀察到原料配比為1∶4.5時(shí)，反應(yīng)溫度很難達(dá)到200℃，分析可能的原因是過多的異辛醇在反應(yīng)過程中會帶走過多的熱量，導(dǎo)致溫度降低，從而影響了產(chǎn)品收率。

圖1 原料配比對反應(yīng)收率的影響

2.2 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的影響

反應(yīng)的溫度(200～210℃)，原料的物質(zhì)的量比(廢聚酯/異辛醇1∶4)和催化劑(0.2%醋酸鋅/鈦酸四丁酯1∶1混合催化劑)，測定不同的反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響見圖2所示：

圖2 反應(yīng)時(shí)間對收率的影響

圖2可以看出來產(chǎn)品收率會隨著時(shí)間的增長而增大，在2～5h產(chǎn)品收率增長較快，而在5h之后產(chǎn)品收率的增長慢慢降緩。所以本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間選為6～7h。

2.3 不同催化劑的使用對反應(yīng)的影響

(1)在反應(yīng)溫度(200～210℃)，反應(yīng)時(shí)間(7h)和原料配比(廢聚酯/異辛醇1∶4)這些反應(yīng)條件不變的情況下，測定選擇不同的催化劑：醋酸鋅、鈦酸四丁酯以及混合催化劑(醋酸鋅/鈦酸四丁酯1∶1)對反應(yīng)收率的影響見圖3所示。

由圖3可看出來鈦酸四丁酯和醋酸鋅的混合催化劑的效果最好，但是就單獨(dú)使用效果來說，鈦酸四丁酯的催化效果明顯好于醋酸鋅。

圖3 不同催化劑對反應(yīng)的影響

(2)在反應(yīng)時(shí)間(6h)和反應(yīng)溫度(200～210℃)不變的情況下，為了考察催化劑加入順序的不同對反應(yīng)的影響，分別設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)，一組原料配比為1∶3，兩種催化劑同時(shí)加入(醋酸鋅/鈦酸四丁酯為1∶1，質(zhì)量百分比均為0.2%)和催化劑分批次加入(先加醋酸鋅然后在160℃加入鈦酸四丁酯，質(zhì)量百分比均為0.2%)；另一組原料配比為1∶4，催化劑加入情況同上，測定對產(chǎn)品收率的影響見圖4所示。

圖4 不同的催化劑使用對收率的影響

由圖4可以看出來在原料為1∶3和1∶4的情況下兩種催化劑同時(shí)加入的收率高于催化劑分批次加入，造成這種情況的原因應(yīng)該是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間內(nèi)先后加入催化劑的反應(yīng)速率較低未使反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡。

2.4 紅外光譜表征

圖5為產(chǎn)品DOTP的紅外光譜圖，圖中1722cm-1為酯類C=O的伸縮振動，1267 cm-1和1113 cm-1為酯基中C-O伸縮振動的兩個(gè)特征峰，1612 cm-1、1577 cm-1和1462 cm-1為苯環(huán)骨架振動吸收峰，2930 cm-1、2868 cm-1、1404 cm-1和1382 cm-1為-CH3-,-CH2-的伸縮彎曲振動吸收，730 cm-1為苯環(huán)的取代吸收，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照基本一致。

圖5 產(chǎn)品DOTP的紅外光譜圖

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過利用聚酯廢料為原料制備對本二甲酸二異辛酯的研究，得到以下結(jié)論：

(1)原料應(yīng)來自純聚酯瓶，聚酯瓶片越小越容易反應(yīng)。

(2)混合催化劑用量為原料總量的0.4%，催化劑投放時(shí)間為160℃一起加入，在原料配比為1∶4、反應(yīng)溫度在200～210℃、反應(yīng)7h的條件下，DOTP的收率達(dá)到86%以上，精致過的產(chǎn)品其質(zhì)量能夠達(dá)到國家的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)中和與水洗的過程中水的溫度不可過低，70℃以下都會有乳化現(xiàn)象，導(dǎo)致分離困難，80℃以上乳化現(xiàn)象消失，所以水洗溫度應(yīng)該保持在80℃。