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在超临界流体中解聚废弃聚合物以获得具有较高附加值的化学单体或燃料是一种新的固体废弃物处理方法。论文在介绍超临界流体的基本性质及其在聚合物回收中的应用,以及综述聚碳酸酯及废弃轮胎回收循环利用现状和国内外关于聚碳酸酯及废弃轮胎在超临界介质中解聚研究进展的基础上,提出了开展聚碳酸酯在亚临界和超临界甲苯、甲苯/乙醇共溶剂中以及废弃轮胎在亚临界和超临界甲苯等溶剂中的解聚研究。对解聚产物采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、气-质联谱(GC-MS)、气相色谱(GC)等进行的分析表征以及各种实验条件对解聚率和解聚产物选择性的影响分析,探讨了解聚动力学机理,得到了不同条件下的解聚动力学方程。
在温度250~360℃、压力3.6~5.5MPa、反应时间10~60min、投料比(介质与聚合物的质量比)3.0~11.0条件下,研究了聚碳酸酯在超、亚临界甲苯中的解聚,实验结果表明解聚率及主要产物双酚A在液相产物中的含量随温度的升高、反应时间的延长而增加,在合适条件下,解聚率可达99.0%。当投料比为7.0,反应温度340℃,反应时间为30min,主产物双酚A在液相产物中的含量达到最高为54.4%,此时解聚率为78.9%。
研究发现在超临界甲苯中聚碳酸酯解聚液相产物中双酚A含量不高的原因之一与双酚A在超临界甲苯中发生分解有关。实验表明,在340℃时有25.0%以上的双酚A分解。为使解聚产物中具有较高的双酚A含量,需降低解聚反应温度。为此,在较低温度条件下在甲苯/乙醇共溶剂中进行聚碳酸酯的解聚实验。发现在300℃、45min条件下,可得到96.8%的聚碳酸酯解聚率,在液体产物中的双酚A含量可达93.0%,远高于同温度下甲苯为单独介质时的解聚率和双酚A含量。甲苯溶剂中添加一定比例的乙醇(甲苯与乙醇质量比为6)构成的共溶剂改善了对聚碳酸酯的溶解,降低了解聚反应温度,减少双酚A的再分解,有利于双酚A含量的提高。
在温度295~410℃、压力3.7~23.0MPa、反应时间20~90min、投料比3.0~15.0范围内,研究了废弃轮胎和天然橡胶(NR)在超临界甲苯中的解聚,同时考察了在超临界水、环己烷和解聚甲苯油(TO,废弃轮胎在超临界甲苯中解聚得到的含甲苯的混合油)中的解聚反应。实验结果表明,废弃轮胎和天然橡胶在超临界甲苯中的解聚液相产物成分复杂,分子量大多在300以下;在超临界水中的解聚产物以苯酚类物质为主,其中苯酚在液相中的含量达到41.8%;其余介质中的产物以芳香族和烯烃类为主,如柠檬烯、苯、二甲苯、三甲苯、辛烷。温度、反应时间、投料比、反应压力等参数对解聚率、液相产物分布和柠檬烯含量均会产生影响。实验得出,废弃轮胎在超临界甲苯中解聚反应的较佳条件为:温度345℃、投料比8.0、反应时间40min、压力4.2~7.0 MPa,此时的解聚率可达93.0%以上;获得柠檬烯较佳的反应条件:温度330℃、投料比为8.0、反应时间40min、压力为4.5 MPa,此时柠檬烯在液相产物中的含量达16.6%以上。
对不同实验条件下的结果进行分析和回归,得出解聚反应均可用一级反应动力学方程来描述。聚碳酸酯在超临界甲苯中解聚在临界点附近反应速率有明显的转折点,可用两个不同的反应速率表达式分别表示在超临界和亚临界区域的解聚反应,超临界解聚反应的活化能(55.25 kJ/mol)明显低于亚临界反应活化能(155.96kJ/mol)。同样对聚碳酸酯在超临界甲苯/乙醇共溶剂中解聚反应实验数据关联,得到解聚反应的活化能为13.56 kJ/mol,明显低于亚临界及超临界甲苯中解聚反应活化能。
根据聚碳酸酯在超临界介质中解聚产物的分析,并结合聚合物链能数据,得出以链随机断裂为主,还包含C-H裂解、分子间和分子内氢转移、自由基重组、自由基歧化等自由基反应的解聚机理。
废弃轮胎在超临界甲苯中解聚的反应活化能为55.90 kJ/mol。解聚反应主要是以链的随机断裂为主,而链端断裂不易发生。