水解法化学回收聚乳酸 背景技术 本发明涉及的化学回收的方法也被称为聚乳酸 (PLA) 的解聚, 由此形成单体或其 衍生物, 所述聚乳酸不论是否包含在其他聚合物的混合物中。
目前, 以促进生物大分子的延伸, 其应用以环境安全的角度来看, 至关重要的是要 能够证明这些产品的寿命终止的生存性处理。本发明的目的针对聚乳酸 (PLA) 这些问题, 提供了一个与目前已有的不同的新颖的解决方案。
现有技术
塑料材料寿命终止的处理是市场上存在的塑料材料的生存性的一个非常重要的 因素 ( 例如, 由于缺乏一个有效的回收系统, 聚氯乙烯已经在塑料瓶市场被剔除 )。如非再 生塑料 ( 来自石油化学 ), 即使其寿命终止的渠道是多不胜数, 考虑到这种寿命终止的处理 方式, 生物聚合物仍面临技术挑战。尤其在物品市场上, 其巨大的体积危如累卵, 这也是解 决这个问题非常重要的原因所在。
目前, 已知的能够处理寿命终止废弃物的方式很多, 如倾倒, 焚烧, 堆肥, 机械回收 或者化学回收。
对于倾倒, 常见的污染物在废料厂经过降解释放出来, 主要是甲烷和二氧化碳, 还 有农药, 重金属和添加剂。 如果仍一直把废弃物倾倒当作一个简单和廉价的处理方法, 除了 上述的污染排放以外, 这些废弃物将继续排放降解产生渗沥液和气体, 而处理这些东西将 需要数十年。 然而, 就生物大分子而言, 因为降解产物毒性较小, 污染问题不是那么重要。 尽 管如此, 有些时候降解持续时间过长, 便值得慎重考虑, 因为当大量体积处理时, 这可能成 为一个重要的问题。
本发明的目的是减少废弃物体积, 其通过将废弃物转换成气体 ( 二氧化碳, 水, 硫 氧化物, 氯化氢, 氮氧化物, ......), 因此, 难以避免的是焚化炉附近空气成分的改变, 其含 有较高水平的有毒物质。 对生物塑料而言, 因为碳不是矿物源, 二氧化碳抑制的已经不是问 题, 因此, 考虑到过程中的排放 ( 对生物塑料的生物质 ), 整体的平衡是中性的, 甚至略有正 面效应。与此相反, 其他的抑制是则非常麻烦, 从而不可避免地导致空气成分的改变。如果 精心设计和适当的操作, 可以减少焚化炉的排放, 但无论是在投资和支出方面, 这项技术都 是极其昂贵的。 然而, 焚烧是倾倒的一种替代方式, 能够产生能量, 事实上, 锅炉回收热量和 给出价值, 可以作为电能和热能 ( 热电联产 )。由于焚化炉在过去是重要的污染源, 它们被 称为 “热回收利用中心” , 于是 “能量回收利用装置” 代替 “焚化装置” 。然而, 植入新单元的 文件管理也越来越复杂, 因为住在周围的人们不再能够接受自己家附近有一个焚化炉。
生物降解能力是生物大分子的重要特征, 其能够通过堆制肥料被方便的回收再 用, 并且不影响环境, 必要时采取预防措施, 然而, 起始材料到达最后阶段的发展依赖于大 量的外部因素 ( 材料尺寸, 湿度, 通风, pH 值, 细菌菌群, 碳氮比例 ......), 往往会限制其使 鉴别和分类包括生物降解聚合物 ( 食品包装, 包装袋 ......) 的产品的困难是在 用。此外, 分类后错误的情况下可能破坏混合肥料的质量。此外, 提高 PLA 的性能 ( 更好的热电阻, 较 好的机械性能 ......) 将会导致降解速度缓慢。
机械回收是一种熟知和常用的手段, 例如, 对聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 而言。 它在于重熔材料, 单独或与新料的混合, 制备可销售的产品。 将废弃物洗净, 干燥, 结晶和放 置, 然后直接转换成成品或可能在市场上销售的料粒。这种途径同时也适用于 PLA。然而, 由于使用温度高, 无论是对 PLA 还是其他聚合物, 聚合物的降解往往涉及其机械性能的损 失。产品可以直接简单应用, 或与新料混合。因此, 这种类型的回收不是无限的。此外, 对 不同成分的塑料而言, 回收会带来问题, 因为他们两两间一般是不兼容的。事实上, 由于相 变温度不同, 混合几种塑料会导致最终产品的机械性能下降。
这些不同的寿命终止的技术是不理想的, 因为塑料不能够回收变为其基本元素 ( 单体 ), 从而直接和永久使用。然而, 这些过程对于 PLA 而言是可行的, 但只有当材料流完 全是 PLA 才可以。事实上, 如果其他聚合物污染 PLA, 不相同的上述技术会造成困难。例如, 就 PET 污染而言, 后者不是堆肥降解。对于 PVC 的污染, 焚化是可行的, 但由于有毒物质的 释放, 涉及使用昂贵的滤波器。对于化学循环, 如果它是共混聚合物组成, 得到的产品是完 全变性。
另一种回收途径也被称为化学回收。经常援引作为理想的回收途径, 其通过化学 方法实现聚合物的转化, 例如 : 热或催化裂解成烃, 裂解转换回的单体 ......。已知的 PET 化学回收系统是由二元醇解聚, 也被称为糖酵解。 其分子链被打破, 获得的产品为对苯二甲 酸和乙二醇。 然而, 解聚方法中一些降解机制产生了不可逆转的材料的结构修改, 导致连续 转换的困难。PLA 化学回收系统也拟以重新获得单体, 乳酸或其衍生。有些专利的权利要 求, 例如快速水解 (Brake, L.D. ; Subramanian, N.S. 美国专利 5,229,528, 1993) 或者溶剂 分解 (Brake, L.D. 美国专利 5,264,614, 1993 ; Brake, L.D. 美国专利 5,264,617, 1993) 多 聚羟酸以产生羟基酸或者酯, 其包括 PLA。这些现有工艺甚至实现收益率接近 95%, 但其涉 及执行的繁复的步骤 ( 通过蒸馏后酯化, 这些步骤重复三次 )。 然而, 事实证明, 这样的处理 有严重的固结的风险, 特别是在蒸馏过程中, 这使得过程中的转换在工业规模上不确定。 它 也证明了溶于乙醇
不是一件容易的事。事实上, 就乙醇来说, 它是不可能在温度超过 78℃ ( 乙醇的 沸点 ) 下不断添加 ( 在大气压力下 )PLA 的。由于一些非致密匀浆的低密度, 使得 PLA 的浓 度受到限制。此外, PLA 给料的化学回收流通常含有少量的水分。水分引起水解形成酯, 这 种方式可以释放乳酸。在质量涉及溶剂分解后通过蒸馏精馏纯化的情况下, 乳酸的生产是 非常繁琐的。事实上, 蒸馏并不能理想的进行, 因为乳酸的存在促进媒介的低聚作用 ( 专利 20080424“Procédé continu d’ obtention d’ un ester lactique” )。PLA 热降解 ( 例如 高温分解 ) 总所周知, 通过加成 - 消除环化机制引起乳酸形成 (F.D.Kopinke, M.Remmler, K.Mackenzie, M. O.Wachsen, Polymer Degradation and stability, 53, 329-342, 1996)。 但是这些方法单体产量低。 而且, 这些不同的技术往往是在高温和 / 或高压下进行, 从而使获得的乳酸引起化学降解和光降解。
因此, 需要一个简单、 有效, 非变性过程解聚 PLA, 以便能够实现基本单体或者一种 衍生物的回收。
发明之简要说明
本发明的目的之一是提供一个过程, 所述过程用于化学回收或者解聚 PLA 形成乳 酸或者一种衍生物, 如乳酸酯, 所述 PLA 与或未与其他聚合物共混, 所述过程通过水解, 在温和的条件下, 高品质, 高产量, 通过提高生产率, 减少二氧化碳排放和降低能源成本, 生产 单体。
本发明的另一目地是将 PLA 溶于 PLA 溶剂, 其不会阻止其解聚, 也无需施加进一步 的纯化步骤。
本发明的进一步目的是提供一个方法, 所述方法为化学回收含有 PLA 的共混聚 合物, 所述共混聚合物溶于溶解 PLA 的溶剂以首先分离固体杂质, 如不溶的聚合物而不是 PLA, 然后 PLA 溶液醇解, 以转换 PLA 成单体或其衍生。
本发明的方法的目的之一, 所述方法用一种乳酸酯作为溶剂用于溶解 PLA, 以高度 简化方法, 也能够对化学回收聚乳酸方法中的所有步骤产生积极的影响。
发明之详细说明
申请人发现, 如果事先将 PLA 或含有 PLA 的共混聚合物溶解在乳酸酯中, PLA 的解 聚方法能够显著改善。
本发明方法包括连续地如下步骤 : 首先, 粉碎 PLA 或含有 PLA 的共混聚合物, 其次 用乳酸酯溶解 PLA 以及同时分离固体杂质, 如非 PLA 的不溶聚合物, 然后将所得溶液通过水 解进行解聚, 最后, 获得乳酸或其一种衍生物, 进行纯化, 从而使获得的产品符合传统市场 的具体要求, 如工业应用, 甚至 PLA 聚合。
1、 粉碎 PLA 废弃物
在本发明的范围内, 化学回收所用的原料可以来自生产单元中的不合格产品、 转 变单元的生产边料, 以及寿终正寝的成品。首先, 根据已知技术或本领域熟知的手段, 例如 剪切, 冲击, 干或水研磨, 对 PLA 或含有 PLA 的共混聚合物进行粉碎。 由于这一步的目的是增 3 加材料的比表面积, 以便获得质量 / 体积比在 0.05 和 1.4t/m 之间的产物, 从而使处理步骤 简单, 加快以下的溶解步骤的时间, 使得方法更容易工业化。本发明的范围内, 可以设想一 个或多个粉碎步骤, 其数量取决于初始产品, 但也提高了运转和目标最终造粒的成本。 还可 以预处理或者后处理 PLA 流体或含有 PLA 的共混聚合物, 所述处理通过水洗或者其他溶液 洗涤, 如苏打, 钾碱或洗涤剂溶液 ...... 可以计划其他操作, 如手动筛选或者自动 ( 例如, 磁 ) 分离, 其目的是为了除去可能会改变最终产品的质量的废物或复杂的纯化。很明显, 如 果 PLA 或含 PLA 的共混聚合物中的废弃物在处理方法中有合适的表面积开始溶解, 这种粉 碎步骤可能会取消而从本发明的方法中分离出去。
当执行粉碎步骤后, 为了紧密材料, 可以采取一个致密的步骤, 这将改善处理和后 勤步骤。
2、 溶解 PLA 或含有基础 PLA 的共混聚合物
然后, 共混聚合物含有 PLA, 不管是否基础, 或是否紧密, 在解聚步骤前溶解。如果 PLA 或者含有 PLA 的共混聚合物的形式 ( 重量 / 体积比 ) 允许, 即使未经在先粉碎, 也可以 进行溶解。事实上, 处理这种类型的流体的问题之一是, 即使经过粉碎, 不同后处理过的材 料也有不同的质量密度。已知此溶解的一个主要优点是消除的要处理的材料密度低 ( 甚至 进行一个识别步骤 ) 的问题, 因此能够导致提高每单位体积的生产率。此外, 溶剂使用, 不 得使得后续步骤繁琐。
首先, 这可以轻松地分离除 PLA 以外的其他聚合物, 并回收它们为一个具体的, 分 离和后续处理。各种溶剂可用于溶解 PLA, 如苯, 甲苯, 异丙醚, 二氯甲烷, 氯仿, 氯苯, 等。这些溶 剂, 即使是完全能够合适的完成溶解 PLA, 但考虑到在这种情况下的生态背景, 并不推荐。
令人惊讶的是, 现已发现将 PLA 溶解在乳酸酯中, 可避免进一步的后续分离步骤, 同时不降低回收或解聚材料的产率。所述酯如乳酸甲酯、 乳酸乙酯、 乳酸异丙酯、 乳酸正丁 酯、 乳酸己酯 ...... 以及更普遍的乳酸烷基酯。所述烷基酯的烷基为从 1 到 12 个碳的烷基。 同时也发现, 溶于乳酸酯的优点是其比达到这种酯在醇中的增溶化的温度高。 事实上, 酯的沸 点温度一般比醇高, 这使得其能够溶解更多的 PLA。此外, 其溶解速度非常快, 进行相当迅速。
申请人现在已经发现, 通过这种处理可能加倍 PLA 体积容量, 从而使加工材料的 数量增加一倍。 这溶解可以在以下步骤之前或同时进行, 所述溶解能够在不同温度直至 PLA 的熔点下进行。
在 PLA 被另一种聚合物 (PET, PE, PVC, PP 或任何其他普通聚合物 ) 污染的情况下, 它可以通过过滤或任何其他本领域常用的手段去除后者。
事实上, 乳酸酯在所需的处理时间内不能够溶解上述聚合物。
3、 化学回收 PLA
溶解后的下面的步骤在于解聚 PLA, 其目的是为了将其转换为其基础单体 ( 乳酸 ) 或衍生物之一。 此操作最好是在足够温和的条件下进行, 以避免乳酸或其衍生物的降解。 倘 若溶解的 PLA 赋予必要的义务, 以避免超过其熔融温度, 从而其由于温和的条件下, 降解反 应减少, 使得获得的收益接近 100%。 申请人公司还表明, PLA 的解聚可通过在 80 至 180℃, 低压或在大气压和 10 巴的 压力之间或更高下水解完成, 优选地, 温度为 100 至 150℃, 更优选地, 温度为 120 至 140℃。 所述水解步骤使乳酸或其盐形成。它通过打断聚合物链的酯键然后进行亲核攻击实现。所 述亲核攻击, 可以使用水或碱性溶液, 如氢氧化钠、 氢氧化钾等等进行。由于水或碱性溶液 的量影响的反应动力学, 所以在后续的纯化步骤中, 保持折中避免消除过高量的水仍然重 要。 所述水解可以使用或不使用路易斯酸型酸性催化剂, 如辛酸亚锡, 锡乳酸, 辛酸锑, 辛酸 锌, APTS( 对甲基苯磺酸 ) 等, 或胍族碱, 例如 TBD(1, 5, 7- 三叠氮双环 (4.4.0) 癸 -5- 烯 ) 及其衍生物等。
4、 水解乳酸酯
根据本发明的方法, 它也预期溶解 PLA 的乳酸酯。所述反应随后加水进行, 其可以 存在或不存在或催化剂, 不论是否粘结树脂。优选地, 粘结树脂。期间获得的乳酸浓度, 为 获得最大产率, 建议水量最小化, 以减少能量消耗。 所述水解, 可在大气压力或低压下进行, 它也可以采取本领域任何熟知的批处理或连续的方式进行, 如反应精馏, 使用活塞流反应 器 ...... 该反应是 :
有必要提取的醇, 以移动反应的平衡形成乳酸。
回收的乳酸符合工业应用或其他市场的标准。 在某些情况下, 它可用于 PLA 再生产。
5、 通过水解制得的乳酸酯的纯化
本发明的这部分的发明包括在 PLA 醇解中获得的乳酸酯的纯化, 因为取决于使 用目的的不同, 产品的纯度也是可变的。其有可能达到高质量等级, 以满足市场标准。本
领域内熟知的任何净化技术都可以选用, 其一般包括去除离子 ( 离子交换树脂, 液 / 液萃 取 ......), 去除颜色和其他杂质 ( 过滤, 活性炭等 ), 浓缩, 蒸馏 ( 精馏, 薄层, 等等 ), 和结 晶等步骤。由于在较低温度下进行水解, 产品降解较少, 这使得纯化步骤更容易。
因此有可能在这个方法中形成 PLA →乳酸→ PLA 的 “循环” , 比生物质 ( 生物质→ 乳酸→ PLA →生物质 ) 涉及较低的碳排放。
本发明的其他细节和特征, 通过非限制性的例子在下文中给出, 更清楚的说明一 些可能的实施方案。
例1: 通过溶解于乳酸酯后水解回收 PLA 纤维
3.000 千克的 PLA 纤维已使用磨刀机做基础处理。所述均匀混合物在陶瓷反应器 中溶解在 2.000 千克乳酸乙酯中。 溶解在大气压力下 130℃进行。 一旦溶解完成, 添加 2.250 千克的去离子水。然后将反应器的内加热至 2.4 巴的压力。在反应过程中温度为 137℃。 由于这比 PLA 的熔化温度低, 从而避免了材料的降解。水解得到产品以及它们各自的含量 列在表 1。全部 PLA 已被转换为乳酸。令人惊讶的是, 乳酸乙酯只有轻微的水解。
表1: 水解产物的特征
乳酸 (a)(% ) 56.0
水 (b)(% ) 21.0 乳酸乙酯 (c)(% ) 22.1 乙醇 (c)(% ) 0.9(a) : 滴定法测定
(b) : 卡尔菲休测定法测定
(c) : 乳酸乙酯气相色谱测定
所获得的乳酸通过结晶纯化。 在反应器中, 有 2 千克的乳酸在搅拌下加热到 40℃。 然后加入 0.4 克包含晶体的悬浮液。随后将乳酸在几个小时内从 40℃冷却到 30℃。所述 悬浊液离心, 回收形成的晶体。回收产品的纯度达到热稳定级。
这种执行方式能够通过单一的反应步骤和简单的纯化, 可回收 97%的乳酸, 其相 对于 PLA 初始投入量理论预计为 100%计算。
例2: 溶于乳酸酯
本示例范围内, 基础 PLA 溶解在不同的乳酸酯中, 即乳酸甲酯, 乳酸乙酯, 乳酸正 丁酯, 在大气压力下, 130℃烘箱内, 未经搅拌。溶解情况记载在表 2 中。
表2: PLA 溶解于不同的乳酸酯
试验 1 2 3 酯 乳酸甲酯 乳酸乙酯 乳酸正丁酯 PLA/ 酯质量比 1 1 1 时间 (hr) 1.5 2 3 完全溶解 是 是 是
PLA 在大气压力下乳酸酯中或其各自醇中的增溶作用比较见下述示例。7102348673 A CN 102348692
试验 1 2 3 4 溶剂 乙醇 乳酸乙酯 正丁醇 乳酸正丁酯说明书6/8 页表3: PLAR 溶于乳酸酯及其对应的醇的比较PLA/ 酯质量比 1 1 1 1温度 (℃ ) 78℃ 120℃ 120℃ 120℃时间 (hr) 3 3 3 3完全溶解 否 是 否 是就乳酸乙酯而言, 不同的酯 /PLA 比例和不同温度, 大气压力下未经搅拌 4 小时后 进行研究和比较。结果记载在表 4 中。
表4: 不同比例的基础 PLA 溶于乳酸乙酯
试验 1 2 3 4 5 6 7 8 9
PLA/ 乳酸乙酯 ( 质量比 ) 0.75 1 1.5 2 1 1.25 1.5 1.75 2 温度 (℃ ) 130 130 130 130 120 120 120 120 120 溶解情况 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% ~ 85% ~ 75%试验 8 和试验 9 再持续 2 小时以上。试验 8 中全部的 PLA 溶解。相反地, 试验 9 中 10%的 PLA 未溶解。
基础纤维的溶解 ( 密度= 0.22) 在接近工业的 ( 搅拌, 更大量的材料, 在大气压力 下 ......) 条件下进行。1.5 千克 PLA 在 130℃下溶解在 1 千克乳酸乙酯中。最后添加完 毕, 溶解后观察 5 分钟。所得溶液的密度约为 1.25。
同样, 试图溶解能够污染 PLA 流体的不同聚合物于乳酸乙酯中, 条件是在 130℃大 气压力下, 4 小时, 未经搅拌。其结果记载在表 5 中。表5: 不同基础聚合物溶于乳酸乙酯聚合物 / 乳酸乙酯 ( 质量比 ) 1 0.14 0.37 1 溶解 否 否 否 是 混合物外观 悬浮液 悬浮液 悬浮液 溶液*作为比较示例给出
前面的例子似乎证明通过溶于乳酸酯分离污染 PLA 的聚合物可能性。本示例将 证明已被任一这些聚合物污染的 PLA 溶解于乳酸乙酯中 ( 聚合物 / 乳酸乙酯的质量比= 0.5), 所述溶解在 130℃, 4 小时, 没有搅拌的情况下进行。不溶物经过滤回收, 然后彻底用 清水洗净, 晾干并称量。结果记载在表 6 中。溶解前和溶解后细微的差异是由于所使用的 方法的精度带来的。
试验 1 2 3
聚合物测试 PEHD PP PET 溶解前聚合物的总量 2.03g 1.99g 2.04g 污染物回收总量 2.04g 1.99g 2.03g表6: 已被其他聚合物污染的 PLA 溶于乳酸乙酯例3: 在 NaOH 存在的情况下水解基础 PLA
在 2 升的烧瓶中, 加入 600 克基础 PLA 和 400 克乳酸乙酯, 以溶解 PLA。然后, 加入 938 克 50%的 NaOH 溶解, 其为溶解 PLA 的一小部分, 能够避免将温度提高到 90℃。在大气 压力下, 反应持续 24 小时。回收水解产物, 然后过滤、 分析。乳酸钠含量为 64.5%, 这说明 PLA 和乳酸乙酯的水解产率超过 95%。
例4 : 溶解聚对苯二甲酸乙二醇酯 (2% ) 污染的基础 PLA 于乳酸乙酯中, 随后在含 水的情况下发生水解反应 - 溶解后清除 PET
3.000 千克对苯二甲酸乙二醇酯 (2% ) 污染的基础 PLA, 也就是 60 克对苯二甲酸 乙二醇酯。然后将所述共混聚合物在陶瓷反应器中溶于 2.000 千克乳酸乙酯中。溶解在 130℃的大气压力下搅拌进行。然后趁热过滤溶液, 以回收不溶的 PET。此操作能够回收全 部污染的聚合物 ( 即 24 克 )。
倒出滤液于陶瓷反应器中, 并已加入 2.250 千克去离子水。反应器内的物质加热 至 2.4 巴的压力。反应过程中所取得的温度是 135℃。这是比 PLA 的熔化温度低。水解产 物进行分析, 结果记载在表 7 中。全部 PLA 已被转换成乳酸。乳酸乙酯有少量水解。表7: 水解产物的特征乳酸乙酯 (c)(% ) 23.4 乙醇 (c)(% ) 1.8(a) : 滴定法测定
(b) : 卡尔菲休测定法测定
(c) : 乳酸乙酯气相色谱测定
所获得的溶液通过蒸发的挥发性化合物 ( 乙醇, 水和乳酸乙酯 ) 浓缩。乳酸蒸馏 出。这种执行方式能够通过单一的反应步骤和简单的纯化, 可回收 97%的乳酸, 其相对于 PLA 初始投入量理论预计为 100%计算, 其中, 部分乳酸酯被水解。
例5 : 溶解聚丙烯 (1% ) 污染的基础 PLA 于乳酸乙酯中, 随后在含水的情况下发生 水解反应 - 溶解后清除 PP
3.000 千克聚丙烯 (2% ) 污染的基础 PLA, 也就是 30 克聚丙烯酯。然后将所述共 混聚合物在陶瓷反应器中溶于 2.000 千克乳酸乙酯中。溶解后, 加入 2.250 千克去离子水。 反应器的物质加热至 2.4 巴的压力。反应过程中所取得的温度是 136℃。这是比 PLA 和 PP 的熔化温度低。回收水解产物过滤。30g 的聚丙烯完全被回收。滤液进行分析, 并将结果记 载于表 8。全部 PLA 已被转换成乳酸。乳酸乙酯有少量水解。
表8: 过滤后水解产物的特征
乳酸 (a)(% ) 55.9
Eau(b)(% ) 19.9 乳酸乙酯 (c)(% ) 22.1 乙醇 (c)(% ) 2.1(a) : 滴定法测定
(b) : 卡尔菲休测定法测定
(c) : 乳酸乙酯气相色谱测定
所获得的溶液通过蒸发的挥发性化合物 ( 乙醇, 水和乳酸乙酯 ) 浓缩。接着蒸馏 出乳酸。 这种执行方式能够通过单一的反应步骤和简单的纯化, 可回收 98%的乳酸, 其相对 于 PLA 初始投入量理论预计为 100%计算, 其中, 部分乳酸酯被水解。10