李萬海 郭景海 王紅 齊愛玖 ( 吉林化工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系 吉林 )
塑料是三大合成材料之一,品種繁多,主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和樹脂等,不同的品種,廢棄物降解的產(chǎn)物也不同。處理廢棄塑料的方法很多[1—4],如:堆積掩埋法、焚燒處理法、光降解、生物分解、{TodayHot}回收利用、裂解回收制備汽油、苯乙烯單體回收、制備膠粘劑、涂料等。在眾多廢棄塑料中,有一些廢棄塑料如聚苯乙烯(ＰＳ)暫時還未找到合適的回收利用途徑。
聚苯乙烯泡沫塑料(ＰＳＦ)由于具有質(zhì)輕、有一定剛性、高電絕緣性、低吸濕性及價格低廉等特點,廣泛用于機械設(shè)備、儀器儀表、家用電器、工藝品和其他易損壞貴重產(chǎn)品的防震包裝材料,這類包裝均屬于一次性消費,拋棄量極大。隨著我國化學(xué)工業(yè)及其他相關(guān)工業(yè)的發(fā)展,聚苯乙烯的消費量增長很快,尤其近幾年發(fā)展更為迅速。1990年,我國聚苯乙烯消費量為17.99萬ｔ,1996年達到150.73萬ｔ,是1990年的8.38倍,6年間年平均增長率高達23.84%。隨著電子電訊業(yè)的發(fā)展,ＰＳＦ的廢棄量與日俱增。這種白色垃圾重量輕、體積大、占地面積大、耐老化、抗腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在自然界中不易被降解轉(zhuǎn)化。長期以來,廢聚苯乙烯泡沫塑料和其他塑料一樣大都通過焚燒和掩埋加以處理。焚燒排除的氣體會引起二次污染,掩埋會使土地的土質(zhì)變差。所以,探求新的方法極為重要,并可以獲得可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。近年來,人們在利用廢聚苯乙烯制備涂料方面已探索了許多途徑,但大都屬于物理改性,由于聚苯乙烯分子鏈剛性大,質(zhì)硬、性脆,因此,用物理改性所制備的涂料往往存在涂膜柔性和附著力差的缺陷,用改性樹脂對聚苯乙烯進行接枝改性,賦予涂膜良好的柔韌性、附著力、機械性能。現(xiàn)介紹以廢聚苯乙烯為基料,研制一種價格較低、性能優(yōu)良的膠粘劑和涂料。
1 實驗部分
先將廢聚苯乙烯泡沫塑料進行分類預(yù)選,用清水洗凈,并晾干或烘干,然后將其粉碎成小塊。將干凈的廢聚苯乙烯泡沫塑料投加到二甲苯、乙酸乙酯、丁醇的混合溶劑中溶解,開動攪拌儀,邊投加邊攪拌,直至完全溶解,過濾,然后加熱到70℃左右,制成塑料膠漿,再加乳化劑和改性劑,攪拌1—2ｈ,制成清漆。再向清漆中加入填料、顏料,高速攪拌均勻,最后停止加熱和攪拌,分散研磨到一定細度,加入防老劑,過濾即得成品(見圖1)。
2 實驗結(jié)果與討論
2.1 試劑的選擇
2.1.1 低毒、混合溶劑的選擇
利用廢棄聚苯乙烯研制多功能涂料,混合溶劑的選用不僅決定了涂料的成本,而且還決定了其毒性的高低及其性能。主要是對溶劑的選擇。最理想的溶劑應(yīng)具有以下特點:(1)具有很強的溶解力;(2)易與其他溶劑混合并對填料有較好的分散性;(3)溶劑具有最小的毒性以利于施工;(4)價廉易得且揮發(fā)速度適中。溶解力的強弱可以根據(jù)塑料與溶劑的溶解參數(shù)差來確定,即一般根據(jù)溶解度參數(shù)相近原則。熱力學(xué)中關(guān)于兩種物質(zhì)相溶性與它們?nèi)芙鈪?shù)差的關(guān)系表明,這個差值越小則溶解力越強。也有例外,溶劑和溶質(zhì)的溶解度參數(shù)相近但不溶解,這是因為溶質(zhì)與溶劑分子的極性強弱相差很大所致,在一般情況下,極性溶質(zhì)溶解于極性溶劑中,非極性溶質(zhì)溶解于非極性溶劑中。表1列舉了一些溶劑、聚合物的溶解度參數(shù),表2列出了幾種溶液的技術(shù)指標(biāo)。
溶解能力的強弱取決于溶劑分子和高分子聚合物分子間親合力所決定的溶劑向高分子聚合物分子間隙中擴散的難易,通常當(dāng)溶解度參數(shù)δ值的差值即|δ1-δ2|<1 3時,就可估計為能夠溶解。由表1可知,雖然苯的δ值與ＰＳ差不多,但由于苯的毒性大且揮發(fā)快,不宜選用。通過實驗確定溶解時間、干燥時間、光澤性、光滑度等指標(biāo)來選擇混合溶劑。因此,我們選用了二甲苯、乙酸乙酯、丁醇為制取涂料及膠粘劑的混合溶劑。
2.1.2 改性樹脂的選擇
由于廢聚苯乙烯是非極性物質(zhì),其分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)降低了高分子鏈節(jié)的柔韌性,在鋼鐵、木材等表面的附著力差,利用它作為涂料的成膜物質(zhì)必須用極性的樹脂對其改性,以增強涂層的附著力,這是利用廢塑料生產(chǎn)涂料的關(guān)鍵。改性劑有ＴＤＩ(甲苯二異氰酸酯)、酚醛樹脂、松節(jié)油、松香、異氰酸酯等。考慮到成本問題,采用松香或松節(jié)油比較合理。
2.1.3 增塑劑的選擇
聚苯乙烯是線性結(jié)構(gòu),從立體結(jié)構(gòu)看,苯環(huán)側(cè)基在主鏈上的位置是無規(guī)則的,是立體無規(guī)則聚合物,故是無定性的,苯環(huán)側(cè)基會使主鏈變硬,造成軟化點較高(為90—100℃),在常溫下較脆,故純聚苯乙烯的突出特點是性脆。因此,為滿足要求,必須對聚苯乙烯加以改性,即在聚苯乙烯中加入增塑劑。增塑劑是具有一定極性的有機化合物,當(dāng)與高聚物混合時,溫度升高,增塑劑分子鉆到大分子聚合物鏈間。由于增塑劑基團的極性而產(chǎn)生引力,使聚合物溶脹,導(dǎo)致聚合物鏈與增塑劑產(chǎn)生強烈的、長期的相互結(jié)構(gòu),甚至出現(xiàn)氫鍵,這種體系冷卻后,增塑劑仍然保留在聚合物鏈間。由于增塑劑分子的進入,增大了鏈間的距離,減少了范德華力的作用,使鏈段活動能力增大,從而降低了軟化溫度,借以制得韌性好的涂料。用于聚苯乙烯的增塑劑有鄰苯二甲酸酯類、雙萜烯、環(huán)氧大豆油、環(huán)氧大豆油酸辛酯、柴油芳烴增塑劑、烷基苯磺酸酯等。我們選用了鄰苯二甲酸酯為聚苯乙烯的增塑劑。其具有性能較全面、與樹脂相溶性好、價格便宜等特點,不但增塑效果好,而且用量少,用量為6%—8%。
2.1.4 乳化劑的選擇
( 1)乳化劑。乳化劑的種類直接影響到乳化液的穩(wěn)定性,非離子乳化劑能賦予乳液較好的化學(xué)穩(wěn)定性,陰離子的乳化劑能賦予乳液較好的機械穩(wěn)定性。因此,我們選用非離子乳化劑ＯＰ 10與陰離子乳化劑組成的復(fù)合體系,可提高乳液的穩(wěn)定性。隨著乳化劑用量的增加,乳液的穩(wěn)定性增加,當(dāng)乳化劑用量達到2.4%時,可獲得穩(wěn)定的乳液涂料。乳化過程溫度為70—75℃,攪拌速度為2000ｒ/ｍｉｎ,其比例為1/1,乳化時間為2ｈ。在乳化過程中將有機溶劑緩慢蒸出,回收利用(見表3)。
(2)乳液的ｐＨ。ｐＨ值對乳液穩(wěn)定性有重要的影響,實驗證明,ｐＨ值在7—9時,乳液的穩(wěn)定性較好,ｐＨ值過高或過低,都會使乳液的穩(wěn)定性降低。這是因為乳液為雙電層結(jié)構(gòu),當(dāng)Ｈ+或ＯＨ-濃度過大時,中和了體系的負離子或正離子,使雙電層消失,從而使乳液不穩(wěn)定。
2.1.5 填料和防老劑的選擇
加入填料不僅可以降低成本,還可以提高性能:增加膠粘劑的粘性,涂料的耐熱性、機械強度、平流性,增強涂料的穩(wěn)定性,增強耐磨性。本實驗用的填料有:(1)活性碳酸鈣:ＣａＣＯ3,分子量100.09,含量≥99.0%;(2)氧化鋅:ＺｎＯ,分子量81.38,含量≥99.5%。本實驗選用60%ＺｎＯ,40%ＣａＣＯ3做為填料。在制取涂料的過程加入防老劑來避免涂料過快老化,故選用環(huán)己酮作為防老劑,其抗老性能很好。
2.2 實驗結(jié)果及產(chǎn)品檢測性能指標(biāo)
根據(jù)聚苯乙烯的結(jié)構(gòu)和特性,選用了二甲苯為主溶劑,乙酸乙酯和丁醇為輔助溶劑。取二甲苯50%—80%,乙酸乙酯10%—30%,丁醇5%—20%作探索實驗以確定這三種溶劑的比例。最終得到膠粘劑和涂料的最佳配方如表4所示。產(chǎn)品性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表5所示。
2.3 經(jīng)濟概算涂料的經(jīng)濟核算指標(biāo)見表6。
3 結(jié) 論
經(jīng)過實驗,我們獲得了制備涂料和膠粘劑的最佳配方。經(jīng)過檢測和試驗,本涂料產(chǎn)品性能優(yōu)良,具有多種功能,且常溫下速干,防水防腐性能好,粘附力大,抗沖擊力強,其涂膜光亮。可作為防水涂料和防腐涂料以及各種紙箱等包裝材料的防水防潮涂料,還可作為內(nèi)墻涂料及瓷磚、馬賽克等建筑材料的膠粘劑。本涂料防水防腐性能優(yōu)良,漆膜光亮美觀,可廣泛應(yīng)用。此外,這些涂料以廢聚苯乙烯泡沫為原料,成本低、投資少、易于工業(yè)化。這種生產(chǎn)涂料的方法為廢聚苯乙烯泡沫的利用開創(chuàng)了一條新路,變廢為寶、節(jié)約能源、消除白色污染,因此,具有一定的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。用廢聚苯乙烯制取涂料具有廣闊的前景,適于廣泛推廣。