新技術實現熱固型聚氨酯發泡材料的回收再利用

高分子材料是高新技術發展的產物,高分子材料以其特有的功能和優越性逐漸應用於人們生產、生活的方方面面,聚氨酯PU)作為一種高分子材料,被用作熱固性泡沫廣泛應用於床墊傢具、隔熱隔音、汽車、鞋類及建築材料等領域。

新技術實現熱固型聚氨酯發泡材料的回收再利用

雖然PU具有較強的耐用性,但由於磨損及產品更新換代仍然產生大量廢料,而目前對PU廢料的處理大多是填埋和焚燒或將其切碎分解成用於地毯的低價值纖維,造成瞭極大的資源浪費,因此開發再處理方法以回收PU廢料對資源的持續利用至關重要。

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亮點

近期,西北大學的William R. Dichtel教授二月桂酸二丁基錫(DBTDL)引入交聯的PU泡沫中,通過動態氨基甲酸酯交換反應使泡沫具有可塑性,然後使用雙螺桿擠出機去除泡沫中的空氣,形成一種比原PU泡沫價值更高的材料,這種材料具有較強重塑性,可加工成堅硬耐用的塑料或柔軟彈性的薄膜,用於汽車保險杠、表帶、購物車或滑板輪等產品。這項技術將使商用PU廢料進一步回收利用,並推動其他熱固性材料再處理的進一步發展!

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PU泡沫的再處理過程

如圖1所示,研究人員首先將PU泡沫與DBTDL催化劑溶液混合,並在高溫下進行熔融處理;然後通過雙螺桿擠出機將處理後的PU泡沫再加工成具有優異機械性能的薄膜或條狀,這種方法不僅能夠有效地去除泡沫中的空氣,而且效率較高,能夠快速將泡沫重塑。

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圖1.PU泡沫的再處理過程

DBTDL催化劑的作用

為瞭確定DBTDL的添加在PU處理中的作用,研究人員使用無催化劑的PU膜進行瞭對比測試。圖2的應力松弛分析結果顯示,經DBTDL催化劑處理得到的薄膜可迅速恢復應力,在處理過程中會經歷快速的動態轉換;而無催化劑的薄膜松弛應力要慢得多,並且顯示出較差的可再加工性,表明DBTDL催化劑的使用促進瞭PU泡沫的再處理。

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圖2. PU膜的性能表征

壓縮模塑法和雙螺桿擠出法的對比

圖3顯示瞭研究人員通過傳統壓縮模塑法和雙螺桿擠出法對PU泡沫再處理的對比,可以看出壓縮模塑法對PU泡沫的後處理效果較差,而通過雙螺桿擠出機則能夠有效地將泡沫中的空氣去除,得到具有優異機械性能的材料;SEM表征結果也明顯看出,與壓縮模塑相比,雙螺桿擠出機得到的材料質地均勻,不存在明顯的空隙。

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圖3. 壓縮模塑和雙螺桿擠出得到的PU膜及SEM表征

擠出薄膜的性能表征

隨後,為瞭確定這種雙螺桿擠出法的實際意義,研究人員對擠出的薄膜進行瞭拉伸測試。結果如圖4所示,與傳統壓縮模塑法相比,材料在雙螺桿擠出機的擠出過程中空氣去除完全,機械性能均得到很好的恢復,而壓縮成型得到的材料空氣無法完全去除,拉伸強度大大降低,這也證實瞭空氣去除對PU從泡沫到薄膜的再加工過程中性能的提升至關重要。

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圖4. PU膜的性能表征

市售PU泡沫的再處理

最後,研究人員將此方法應用於從消費品中提取的PU泡沫,並設想該方法可用於處理每年產生的大量PU廢料,研究人員購買瞭商用PU泡沫塑料,並使用DBTDL催化劑進行微混合和擠出處理。

結果如圖5所示,盡管商用PU泡沫包含催化劑、表面活性劑、阻燃劑和穩定劑等添加劑,但仍然能夠通過微復合和擠出過程進行後處理,這表明該方法對商業PU材料同樣具有較強的適用性,可將其進一步進行回收再加工,證明瞭這種方法對商業PU泡沫廢料進行回收利用的潛力。

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圖5. 市售PU泡沫的再處理

在本篇文章中,研究人員成功證明瞭通過引入DBTDL為催化劑來使PU熱固性塑料進行再加工處理,使用工業上的雙螺桿擠出技術有效地從PU泡沫中除去空氣,從而對PU泡沫進行再加工,並證明瞭這種再處理方法對市售PU泡沫的適用性。我們相信,這項技術不僅能夠將各種PU廢料回收再處理成高價值的材料,為工業界對PU泡沫廢料的回收利用鋪平瞭道路,而且將極大地激發其他市售工業材料的回收利用!

原文連接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.0c00083

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