利用废旧回收饮料瓶R-PET与PC共混制备工程塑料的研究

【摘要】随着PET饮料瓶的广泛使用，废旧回收饮料瓶（以下简称R-PET）的综合回收再利用问题亟待解决。但是R-PET在高温和紫外线下易发生水解和热降解造成分子链断裂，造成其特性黏度低、流动稳定性差、结晶速度慢、脱模困难、韧性差等问题，限制了它的二次使用。而聚碳酸酯PC作为用量较大的通用工程塑料，具有耐冲击性好，强度高，耐热性强，流动稳定性好，尺寸稳定性好等优点，另一方面PC与R-PET之间由于结构中具有相同端羧基和羟基，结构的相似性使得在相容剂的选择上更有针对性，更易实现二者的反应性增容，从而达到增容改性以提高R-PET的特性性度，提高熔体流动稳定性，提高冲击韧性的目的。最终研究的目标是使改性后的R-PET能达到工程塑料PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）性能指标从而替代价格昂贵的PBT生产汽车配件、工业零件等，实现废旧回收饮料瓶R-PET的高附加值回收加工再利用。本文的主要研究内容及结果如下：1.研究了扩链剂环氧树脂EP和带环氧基团官能团化的弹性体PTW(乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯)对R-PET/PC共混材料的扩链增黏作用、相容性及韧性的影响。在此基础上，研究了二者共同作用对共混材料性能的影响，并进行了一系列的性能测试分析，研究结果如下：（1）当PTW单独作用于R-PET/PC共混材料时，随着PTW含量的增加，共混材料的冲击强度大幅提高，拉伸强度、弯曲强度略有下降。在PTW含量为10%时，R-PET/PC/PTW共混材料的综合力学性能最佳，此时冲击强度达到11.74kJ/m2，拉伸强度基本与不加PTW的共混材料相差不多，约为47MPa。当扩链剂环氧树脂EP单独作用于R-PET/PC共混材料时，随着EP含量的增加，共混材料的冲击强度先增大后减小，冲击强度最大为5.5kJ/m2，比PTW单独作用时要小很多，但拉伸强度和弯曲强度要比PTW单独作用时大10MPa左右。当二者共同作用时，共混材料的冲击强度和拉伸强度均比单独使用时要大，尤其在PTW含量为10%，EP含量为0.9%时，共混材料的冲击强度达到13.47kJ/m2。（2）通过冲击断面扫描电镜分析可知：当EP单独作用于R-PET/PC共混材料时，两相界面分离明显，二者相容性较差，冲击性能并没有明显提高。相反，当单独加入PTW后，在PTW含量为10%的R-PET/PC/PTW共混材料的相界面模糊，表面粗糙不平，分散相粒径变小且分布均匀，冲击断面呈现明显韧性断裂特征，说明PTW是R-PET和PC共混时一种很好的相容剂，起到很好的增容增韧作用。当PTW和EP共同作用时，在PTW含量为10%，EP为0.9%时，共混材料的冲击断面的过渡层厚度较大，相界面较模糊，共混材料的相容性较好。（3）通过红外光谱分析、粘度测试分析及转矩流变仪测定分析可知：PTW、EP在熔融共混过程中均与R-PET和PC的端羟基和羧基发生了一定化学反应，从而提高了R-PET的分子量及特性粘度。当PTW和EP共同作用时，在PTW的用量固定为10%，EP含量为0.9%时，共混材料的特性粘度达到0.8456dL/g，已完全达到工程塑料应用所需的粘度要求。（4）通过DSC分析可知：加入EP或PTW后，共混材料的相容性均有一定提高，尤其是在EP和PTW共同作用时，共混材料的玻璃化转变温度彼此向中间靠拢，说明共同作用下的共混材料的相容性最好。2.从PET与PC在熔融共混过程中可能发生的酯交换反应方面考虑，通过加入一种适合工艺条件的酯交换催化剂单丁基氧化锡（MBTO），研究了酯交换催化剂MBTO含量对R-PET和PC的酯交换反应对共混材料性能的影响；同时研究了弹性体PTW和酯交换催化剂共同作用时对共混材料性能的影响，并对产生这种影响的原因进行了比较分析，得出了以下结论：（1）酯交换催化剂MBTO单独作用时最佳的含量为0.06%，但共混材料总体上还是呈现硬而脆的特性。在MBTO和PTW共同作用时，当PTW含量较少时，MBTO的酯交换催化作用起到主要作用，PTW只起到弹性体的作用；但随着PTW含量的不断增加，PTW中的环氧基团的与R-PET和PC的反应占据主导地位，MBTO在其中起到某种刚性粒子或粉状填料的作用，导致界面粘结力变小，材料相容性变差，最终造成R-PET/PC/MBTO/PTW共混材料的冲击强度和拉伸强度不如R-PET/PC/PTW的共混材料好。（2）通过对冲击试样断面的SEM观察发现：在酯交换催化剂MBTO和弹性体PTW共同作用时，随着PTW含量的增加，R-PET/PC/MBTO/PTW共混材料的冲击断面从明显区别的两相片层状结构逐渐变成两相融和的立体状云层结构，冲击断面表现出强韧性材料冲击断面特性。但与R-PET/PC/PTW冲击断面相比较来看，R-PET/PC/MBTO/PTW共混材料冲击断面存在许多分布不均的细微小孔，冲击时易造成应力集中，从而使得R-PET/PC/MBTO/PTW共混材料的冲击强度比R-PET/PC/PTW共混材料的冲击强度要差。（3）通过红外光谱测试、转矩流变分析和黏度测试分析发现，酯交换催化剂MBTO催化使得R-PET与PC之间生成了新的酯基，MBTO与PTW共同作用时相互之间起到竞争作用。当PTW含量少于5%时，R-PET/PC/MBTO/PTW共混材料的粘度和平衡转矩均比R-PET/PC/MBTO0.06%变小；在PTW含量大于5%后，随着PTW含量的增多，粘度和平衡转矩又不断增大，在PTW含量达到10%时，粘度达到最大值0.6235dL/g，这个最大值比R-PET/PC/PTW10%共混材料的特性粘度（0.6328dL/g）要小一些。（4）通过DSC非等温结晶测试分析可知：加入PTW和催化剂MBTO后，二次升温曲线中的R-PET玻璃化转变温度和PC玻璃化转变温度相互靠近，这表明PTW和MBTO均改善了共混材料的相容性，但共混物材料中结晶区的晶体变薄，结晶能力下降。
【作者】马星慧；
【导师】李迎春；
【作者基本信息】中北大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】R-PET；PC；PTW；MBTO；共混材料；酯交换；

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