一种利用生物质促进废弃聚酯低温碳化的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用生物质促进废弃聚酯低温碳化的方法，属于聚合物碳化技术领域。将聚酯与生物质材料充分混匀，得到混合物；将该混合物在200℃‑400℃条件下加热10min‑60min，得到碳材料；所述加热的升温速率为3℃/min‑30℃/min；所述生物质材料在加热过程中生成的含有羟基的中间降解产物与聚酯降解过程中生成的羧酸产物发生酯化反应，以抑制聚酯挥发产物的生成和促进聚酯的交联，从而提高碳材料产率。本发明专利技术使用廉价易得的生物质在较低温度下促进聚酯碳化，有效解决了聚酯碳化温度高、碳化反应条件苛刻、碳化过程复杂、碳化产物产率较低等问题，提高了碳化过程中聚酯的利用率，方法简单有效，在废弃塑料回收利用技术领域有较大的应用潜力。

A method of using biomass to promote low temperature carbonization of waste polyester

【技术实现步骤摘要】
一种利用生物质促进废弃聚酯低温碳化的方法
本专利技术属于聚合物碳化
，具体涉及一种利用生物质促进废弃聚酯低温碳化的方法。
技术介绍
塑料制品在大规模生产使用的同时，不可避免地产生大量废弃塑料，从而带来严重的环境问题。且塑料具有良好的化学稳定性，其在自然条件下降解速度非常慢，一般需要上百年的时间。所以，废弃塑料的回收、处理和利用已成为制约国民经济可持续发展的急需解决的难点问题。一般的废塑料处理方法有填埋、焚烧和化学回收。其中，填埋法虽然简单，但是也存在很大弊端，比如大量占用土地、污染环境、经济投入大等。焚烧法虽然可以达到废弃塑料回收利用的目的，但是在焚烧过程中会产生大量有害气体，极易对大气造成严重污染，危害人类健康。化学回收的方法，即通过热裂解、催化分解等化学手段将废弃塑料转化为化工产品。虽然该种方法能够起到回收作用并且产生一定的经济效益，但是得到产品的副产物多，且附加值不高、难以分离纯化和应用。聚酯作为生活中常见的塑料，大量应用于产品包装，如饮料瓶等。聚酯中碳元素含量通常较高，回收方便且极其廉价易得。因此，将废弃聚酯转化成高附加值的碳材料则为废弃聚酯的回收再利用提供了新方法。Wei等采用超临界CO2技术在高压反应釜中650℃下反应5h将废弃聚酯转化成碳球(Convertingpoly(ethyleneterephthalate)wasteintocarbonmicrospheresinasupercriticalCO2system.EnvironmentalScienceTechnology2011,45,534)；该方法的缺点是高温高压不利于连续生产。Wen等采用有机改性蒙脱土作为模板，在700℃下将聚酯碳化制备碳纳米薄片(Porouscarbonnanosheetwithhighsurfaceareaderivedfromwastepoly(ethyleneterephthalate)forsupercapacitorapplications.JournalofAppliedPolymerScience2020,137,48338)；该方法的缺点是高温碳化过程的能耗高，其次使用大量的蒙脱土作为模板就不得不使用具有很强性腐蚀性的HF提纯碳化产物，工艺繁琐且制备成本高。之前所有的文献都是通过高温催化聚酯分解，然后再利用降解产物碳化制备碳材料，因此反应温度普遍高(一般高于550℃)、能耗大、产率低，严重阻碍着聚酯回收碳化的进一步发展和应用。实际上，聚酯在成碳的过程中，主要通过热解生成的乙烯基端大分子链和芳香环自由基大分子链进行交联，从而形成碳材料骨架。因此促进聚酯降解产物交联是一种新的碳化方法，比如最近Zhang等采用熔融盐ZnCl2/NaCl促进PET在550℃下碳化(Moltensaltspromotingthe“controlledcarbonization”ofwastepolyestersintohierarchicallyporouscarbonforhigh-performancesolarsteamevaporation.JournalofMaterialsChemistryA2019,7,22912)，但是熔融盐的大量使用以及去除势必增加成本。所以，开发一种促进聚酯低温高效的碳化方法，对于将大规模废弃聚酯的回收再利用具有重要的经济和社会效益。相关的研究也势必为生产生活带来益处，也有利于资源更好的开发与利用。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中聚酯碳化过程中碳化反应条件苛刻、碳化过程复杂以及碳化产物产率较低技术问题的，本专利技术的目的在于提供一种简单而且有效的利用生物质促进废弃聚酯可控碳化的方法，本专利技术将生物质材料与聚酯进行混合，再进行加热碳化，以此降低聚酯碳化温度，提高聚酯在碳化过程中的利用率，更加高效地实现聚酯的回收利用。这是因为生物质在低温碳化中会生成大量的含有羟基的中间降解产物，可以与聚酯降解过程中生成的羧酸产物发生酯化反应。这不仅可以抑制聚酯中挥发产物的生成，还能促进聚酯的交联，从而提高碳材料产率。反应后，生物质也转变成碳材料，无需纯化和后处理。按照本专利技术的目的，提供了一种利用生物质促进聚酯碳化的方法，包括以下步骤：(1)将聚酯与生物质材料充分混匀，得到混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物在200℃-400℃条件下加热10min-60min，得到碳材料；所述生物质材料在加热过程中生成的含有羟基的中间降解产物与聚酯降解过程中生成的羧酸产物发生酯化反应，以抑制聚酯挥发产物的生成和促进聚酯的交联，从而提高碳材料产率。优选地，所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚己内酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯和聚对羟基苯甲酸酯中的至少一种。优选地，所述生物质材料为含有单糖的材料、含有二糖的材料、含有多糖的材料和含有多糖衍生物的材料中的至少一种。优选地，所述含有单糖的材料为含有葡萄糖的材料，所述含有二糖的材料为含有蔗糖的材料，所述含有多糖的材料为含有淀粉或含有纤维素的材料，所述含有多糖衍生物的材料为含有木质素磺酸钠的材料。优选地，所述含有纤维素的材料为秸秆或锯末。优选地，所述加热的温度为250℃-350℃，加热的时间为10min-20min。优选地，所述加热的升温速率为3℃/min-30℃/min；优选地，所述加热的升温速率为5℃/min-20℃/min。优选地，所述混合物中聚酯的质量百分比为5wt％～95wt％；优选地，所述混合物中聚酯的质量百分比为20wt％-80wt％。优选地，所述步骤(1)中，聚酯与生物质材料充分混匀的方法具体为：将聚酯和生物质材料加入球磨机中，在转速为20转/分-200转/分的条件下，搅拌混合2min-20min。优选地，所述碳材料的微观形貌均呈现出块状结构。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：(1)本专利技术中通过生物质材料与聚酯同时碳化，得到了具有高附加值的碳材料。同时，生物质的引入促进了聚酯的交联反应，有效地提高碳化产率，降低碳化温度。该碳化方法的应用对于大规模处理废弃聚酯有很大的指导意义，其制备过程简单，为解决聚酯的可控碳化中存在的问题提供了较好的解决方案，具有工业化潜能。本专利技术使用廉价易得的生物质在较低温度下促进聚酯碳化，有效解决了聚酯碳化温度高、碳化反应条件苛刻、碳化过程复杂、碳化产物产率较低等问题，提高了碳化过程中聚酯的利用率，方法简单有效，在废弃塑料回收利用
有较大的应用潜力。(2)聚酯作为一种可成碳聚合物，碳化过程主要是由其分解产物通过一系列化学反应进行交联，逐步构建碳材料骨架。所以，促进聚酯碳化的关键是在于促进这一过程中交联反应的进行。而聚酯受热得到的初级分解产物主要是端基为羧基的分子链，其本身互相反应活性较低，难以直接交联形成碳骨架。从而需要进一步升温加热得到下一级的分解产物，如乙烯基端分子链等，才能进行交联反应。而且在继续加热过程中，会有挥发产物，如CO2等的生成，导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用生物质促进聚酯碳化的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将聚酯与生物质材料充分混匀，得到混合物；/n(2)将步骤(1)得到的混合物在200℃-400℃条件下加热10min-60min，得到碳材料；所述生物质材料在加热过程中生成的含有羟基的中间降解产物与聚酯降解过程中生成的羧酸产物发生酯化反应，以抑制聚酯挥发产物的生成和促进聚酯的交联，从而提高碳材料产率。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用生物质促进聚酯碳化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚酯与生物质材料充分混匀，得到混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在200℃-400℃条件下加热10min-60min，得到碳材料；所述生物质材料在加热过程中生成的含有羟基的中间降解产物与聚酯降解过程中生成的羧酸产物发生酯化反应，以抑制聚酯挥发产物的生成和促进聚酯的交联，从而提高碳材料产率。


2.如权利要求1所述的利用生物质促进聚酯碳化的方法，其特征在于，所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚己内酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯和聚对羟基苯甲酸酯中的至少一种。


3.如权利要求1所述的利用生物质促进聚酯碳化的方法，其特征在于，所述生物质材料为含有单糖的材料、含有二糖的材料、含有多糖的材料和含有多糖衍生物的材料中的至少一种。


4.如权利要求3所述的利用生物质促进聚酯碳化的方法，其特征在于，所述含有单糖的材料为含有葡萄糖的材料，所述含有二糖的材料为含有蔗糖的材料，所述含有多糖的材料为含有淀粉或含有纤维素的材料，所述含有多糖衍生物的材料为含有木质素磺酸钠的材料。

【专利技术属性】
技术研发人员：龚江，郝亮，张博易，刘宁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42