dmso试剂回收涤纶和棉纤维的研究

dmso试剂回收涤纶和棉纤维的研究

资源匮乏和污染是世界上的共同问题。特别是，依赖石油的行业已经成为一个普遍且高污染的行业。化纤行业中每年的聚酯产能达2500多万t目前,对废旧纺织品的回收方法主要分为物理回收法和化学回收法对于聚酯来说,化学回收法可使聚酯链断裂成相对分子质量低的对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)中间体或是完全降解为对苯二甲酸(PTA)或对苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)基于以上考虑,本文的研究另辟新径,寻找合适的化学试剂通过溶解法从废旧聚酯纺织品中回收聚酯,使其达到低成本、高效率并实现工业化连续生产。以废旧服装的再生利用为出发点,选用二甲基亚砜(DMSO)试剂溶解并回收聚酯,开发出全新一代的回收再利用废旧纺织品的清洁生产技术。1实验部分1.1单步仪器和仪器二甲基亚砜(分析纯),纯涤纶织物,纯棉织物,涤/棉(86/14)织物。1000mL四颈烧瓶,98-1-C型数字控温电热套,冷凝管,直流电动机(功率60W),搅拌桨,接收瓶,温度计,烧杯,聚合釜,SHD-Ⅲ循环水式多用真空泵,GC7900气相色谱仪,乌氏黏度计,纤维断裂强力仪等。1.2涤纶pet二甲基亚砜(DMSO)是一种高极性,高沸点(189℃)的有机化合物;涤纶(PET)具有良好的物理化学性能,其极性高,熔点约为264℃。本文实验利用二者相似相容原理,使涤纶溶于DMSO中,而棉纤维不溶于DMSO,从而达到分离涤纶与棉纤维的效果。2结果与讨论2.1100mso提取纯纺织布2.1.1dmso与纯涤织物溶解速率的定温实验纯涤纶织物溶解于DMSO过程中,当溶液温度升到135℃时,四颈烧瓶中有白雾产生,发生微量溶解。随着温度的升高,溶解反应加剧。温度升到194℃后,反应稳定,直至溶解结束。为了确定温度对DMSO与纯涤织物溶解速率的影响,进行定温实验。先将一定量的DMSO溶液投入到1000mL的四颈烧瓶中,加热到测定温度,再放入涤纶织物,实验结果如图1所示。从图1中可看出,纯涤纶织物在170℃时溶解比较缓慢,温度达到180℃时溶解速度显著提高。当温度为185~194℃时,纯涤纶织物溶解时间趋近于稳定。这说明,DMSO与纯涤纶织物的反应主要发生在温度为185~194℃范围内。2.1.2织物在dmso试剂中的溶解度将一定质量配比的DMSO和纯涤纶织物一起投入到1000mL的四颈烧瓶中,在常压下,溶液由常温加热到194℃,稳定反应,实验结果如表1所示。从表中数据可看出,DMSO与纯涤纶织物的配比值为1时,其溶解时间为15min。当DMSO与纯涤纶织物的配比从2倍增大到8倍,其溶解时间趋于稳定,均为12min。由此得出,DMSO与纯涤纶织物的配比大于或等于2倍时,DMSO溶解纯涤纶织物几乎不受DMSO与纯涤纶织物配比的影响。另外,从分子结构可以看出,二甲基亚砜分子中不含类似于乙二醇分子中的醇羟基,对聚酯不发生醇解作用,反而二甲基亚砜中含有易于形成氢键的硫氧基团,这使得主分子链上含有酯基的聚酯易溶解于其中。在常压下,温度为194℃时,将适量的纯涤纶织物投入到100g的DMSO试剂中反应一定时间,直至其饱和,测得纯涤纶织物在DMSO试剂中的溶解度为117.5g。考虑到下一步DMSO回收再利用涤/棉织物实验中,棉纤维具有一定的吸湿性,为了实现DMSO与涤/棉织物充分接触,同时使棉纤维便于从溶解液中过滤出来,实验中选用DMSO与纯涤纶织物的配比为5。2.2棉织物的质量损失率为了判定DMSO能否用于涤/棉织物的回收利用,考察DMSO是否溶解棉纤维。依据DMSO溶解纯涤纶织物的实验结果,选定DMSO和纯棉织物配比为5,将其投入到1000mL的四颈烧瓶中,常压下加热,温度控制在185~194℃范围内,实验结果如图2所示。从图2可看出,当DMSO与纯棉织物的反应时间延长到60min时,棉织物的质量损失率为11.12%。当DMSO与纯棉织物的反应时间延长到120min时,棉织物的质量损失率为12.74%。延长DMSO与纯棉织物的反应时间到300min时,棉纤维溶解度达到饱和,棉织物的质量损失率接近14%,棉织物质量损失率趋于平稳。棉织物损失的质量包括2部分:一是织物表面的浆料及其化学试剂;二是长时间高温对棉纤维的破坏,棉织物耐热性能好,但是不能在温度高于100℃的环境中长时间处理,随着处理时间的延长,棉纤维受到的破坏越严重棉织物样品上的浆料主要是淀粉浆料,用碱液退浆法将其表面的浆料去除。将一定量的棉织物浸轧在质量浓度为10g/L的碱液中,在温度为80℃的水浴中堆置6~12h后,取出经水洗再浸轧在质量浓度为5g/L的稀硫酸中堆置数小时,进一步促使淀粉水解。将棉织物取出经水洗、烘干,测得棉织物的上浆率约为11%。由此可见,DMSO与纯棉织物的反应时间为60min时,包裹在棉纱线表面的浆料及其化学试剂基本被溶解。分别对原棉纱线和被DMSO处理60min后的棉纱线进行性能检测,测试结果如表2所示。从表2可看出,被DMSO处理60min后的棉纱线比原棉纱线的断裂强力下降很多,而断裂伸长率却没有改变。这就说明,由于纱线上浆料被溶解而降低了其断裂强度,又因为棉纤维没有受到破坏,故而不影响棉纱线的断裂伸长率,这与上述结果是吻合的。综上所述,在60min内DMSO对棉纤维基本没有损伤,可确定棉纤维不溶于DMSO,所以在一定反应时间内DMSO试剂可以用于涤/棉织物的回收再利用实验。2.3dmso与涤/棉织物溶液的溶解根据在一定反应时间内DMSO溶解涤纶而不溶棉纤维的性质,将其用于分离涤/棉织物,并回收聚酯和棉纤维。将一定配比的DMSO与涤/棉(86/14)织物投入到1000mL的四颈烧瓶中,常压下加热,温度控制在185~194℃范围内,观察实验。DMSO与涤/棉织物溶解实验结束后,在185~194℃温度范围内,将棉纤维从聚酯溶液中过滤出来,并经洗涤、干燥处理回收棉纤维。同时,再将溶解的聚酯从溶液中回收。2.3.1dmso与涤/棉织物溶解时间DMSO溶解涤/棉混纺织物不同于溶解纯涤纶织物,涤纶与棉纤维的混纺会对聚酯溶于DMSO试剂产生一定的影响,混纺织物中棉纤维的高吸湿率及其与涤纶的捻度延迟了涤纶与DMSO试剂的接触时间,所以DMSO溶解涤/棉织物的时间长于DMSO溶解纯涤纶织物的时间12min。通过1组实验确定DMSO溶解涤/棉织物的最佳溶解时间,实验结果如表3所示。从表3可看出,涤/棉织物在DMSO中的溶解时间为18min时,棉纤维回收率高达116%,大于棉纤维的100%回收率,说明涤/棉织物溶解不充分,涤纶没有完全溶于DMSO试剂中,回收的棉纤维带有部分残余的涤纶。延长涤/棉织物的溶解时间到35min时,棉纤维的回收率为103.7%,此时绝大部分的涤纶溶于DMSO试剂中,回收的棉纤维带有残余的涤纶较少。涤/棉织物的溶解时间为60min时,棉纤维回收率接近100%,涤/棉织物充分溶解。延长涤/棉织物溶解时间为300min时,棉纤维的回收率下降为85.7%,这是因为涤纶溶于DMSO中形成的聚酯溶液,由于反应持续时间较长,溶液温度达到200℃,棉纤维长时间处于高温搅拌状态下,受到一定的破坏。综上实验结果,涤/棉织物在DMSO中溶解的最佳时间为60min。2.3.2棉纤维的性能测试棉纤维从聚酯溶液中过滤出来,经水洗将吸附其中的DMSO试剂及其他杂质清洗干净,再经干燥,回收棉纤维。回收的棉纤维制成的单纱断裂强度可达到11.71cN/tex,断裂伸长率为8.27%,其性能相对稳定,符合气流纺棉本色纱的技术要求(FZ12001—1992《气流纺棉本色纱》)。回收的棉纤维用途很广,如可用于非织造布和一些低端纺纱产品,也可用于纸品、填充物、建筑业等。2.3.3dmso残余率对再生聚酯特性黏度的影响DMSO溶解涤/棉织物,将棉纤维过滤回收,再将聚酯从聚酯溶液中回收。将聚酯溶液投入到1000mL的四颈烧瓶中,常压加热,搅拌,回收DMSO试剂,剩余的固体投入到聚合釜中进行聚合,形成再生聚酯。实验结果如表4所示。从表4可看出,在常压下随着混合物中DMSO残余率从36.57%降低到32.40%时,聚酯的特性黏度也随之从0.1112dL/g增大到0.1419dL/g,说明混合物中DMSO残余率越低,聚酯的特性黏度越高。为了提高DMSO的回收率,在低真空0.02MPa下进行蒸馏实验。从表4中可看出,在低真空0.02MPa下混合物中DMSO残余率降低到20.52%,同时聚酯的特性黏度增大到0.4020dL/g。据此,如果将溶解物中的试剂全部分离出来,就可得到高特性黏度的聚酯,纺出高品质的再生纤维。2.3.4dmso回收溶剂的回收利用1)回收溶剂纯度。DMSO与涤/棉织物的溶解混合物经过蒸馏回收DMSO试剂,采用GC7900气相色谱仪测定DMSO回收液的纯度,其结果如图3所示。图3中a为分析纯二甲基亚砜的气相色谱图,b为回收后的二甲基亚砜溶液气相色谱图。可以看出,在相同的测定条件下,2种物质的气相色谱主峰对应的停留时间都在7min左右,采用外标法,测定回收DMSO溶剂的纯度高达99.4%。2)回收溶剂再利用。研究结果表明,DMSO能够在短时间内溶解并分离涤/棉织物。为了节约资源,降低成本,实现资源循环利用,进一步考察了回收DMSO溶液的循环利用情况,进行溶解涤纶织物实验,得到的结果如表5所示。从表5可看出,一定配比的DMSO(回收液)与涤纶织物的溶解时间约为14min,比原试剂DMSO溶解涤纶织物的时间(12min)略长。这是由于回收的DMSO纯度低于原试剂导致的,同时也说明DMSO与涤纶织物的溶解时间与DMSO试剂的纯度有关,纯度越低,反应时间越长。综上所述,DMSO试剂可以实现回收再利用,但重复次数过多会导致试剂纯