利用回收原料和纤维素废弃物制备耐污染聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料

摘要

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是回收率最高的塑料之一，但回收常受限于材料降解以及从混合废物流中去除污染物的成本。富含纤维素的材料常与PET废弃物共同产生，通常被视为杂质，降低了回收效率。本研究表明，在控制加工过程中降解的前提下，可将富含纤维素的废弃材料掺入回收PET中，制备具有实用力学性能的复合材料。研究采用三种回收PET原料，分别与10 wt%的富含纤维素废弃材料进行加工，并对比了去除与不去除降解副产物的效果。纤维素材料在加工温度下快速降解，而去除降解副产物可改善材料质量。含二氧化钛的原料降解最少，内部缺陷较少，力学性能保持更优。这些结果表明，最大限度地减少纤维素降解对于耐污染回收至关重要，可促进利用异质、难分离的废物流，同时减少对深度原料纯化的依赖。

引言

与联合国可持续发展目标（SDG）12一致的循环经济强调资源效率、减少废物和回收利用，以应对资源稀缺和环境退化等可持续性挑战。塑料因其耐用性、轻质和资源效率在现代社会中发挥着关键作用，带来了减少材料使用和改善产品性能等益处；然而，其广泛使用与不充分的报废管理相结合，带来了重大的可持续性挑战。管理不善的塑料废物导致环境泄漏以及宏观和微塑料的形成，而原生塑料的生产是温室气体排放的主要来源，将废物管理挑战与环境积累以及聚合物生产与气候影响联系起来。全球塑料消费量自1999年以来翻了一番，2019年达到4.6亿吨，累计产量达到95亿吨，其中很大一部分持续存在于环境中。短寿命产品主导塑料废物流，包装占42%，纺织品占11%，但塑料废物的回收率不足10%。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在包装和纺织废物中占很大比例，是这些挑战的关键贡献者。增加再生PET的使用可带来显著的环境效益。美国PET容器资源协会（NAPCOR）的生命周期评估报告表明，与原生PET相比，掺入25–50 wt%的PET可将总能耗降低25%–76%，全球变暖潜势降低20%–59%，而用水量仅略有增加。这些发现凸显了最大化再生含量作为减少塑料环境足迹和推进循环经济目标战略的重要性。因此，改善混合和污染废物流的利用对于提高回收率和减少对原生聚合物生产的依赖至关重要。 PET是一种半结晶热塑性塑料，工业上由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯与乙二醇合成，全球产量主要受包装和纺织品需求驱动，达到约6000万吨。然而，PET的机械回收通过热机械、热氧化和水解降解引发断链，导致特性粘度（IV）降低，进而材料性能下降，限制了再生聚合物的使用寿命，它们引入了额外的成本和复杂性。成本、质量和可扩展性之间的这种权衡凸显了需要既能保持材料性能又具有经济可行性的回收策略。此类方法对于在可扩展的机械回收系统中有效利用异质和污染的PET废物流尤为重要。 PET废物的污染几乎不可避免，制造过程中引入的杂质，如聚酯/棉织物、多层包装、纸标签和涂层纸，或通过消费后使用和不当废物管理进入。全面的分选和净化过程往往成本过高，导致混合废物流通过焚烧或填埋进行能量回收。研究人员在从这些混合废物流中分离PET与棉和其他废弃纤维素纤维（WCF）等污染物方面取得了重大进展。Palme等人。然而，这些化学密集型过程在商业上仍不实用，且破坏潜在有价值的纤维素材料引发可持续性担忧。虽然传统回收策略优先去除纤维素污染物以提高聚合物纯度，但此类分离步骤增加了工艺复杂性和成本。另一种方法是评估是否可以在有效控制加工过程中降解的前提下，将富含纤维素的组分保留在再生PET中并实现增值。 纤维素基材料，特别是来自植物来源的木质纤维素纤维，因其高强度重量比、成本效益、可再生性和广泛可用性，作为聚合物复合材料的增强材料而备受关注。

Fig. 3: Rheological properties of recycled PET–WCF composites and neat materials.

Fig. 4: SEM micrographs of WCF, neat feedstocks, and recycled PET–WCF composites.

Fig. 5: Tensile performance of recycled PET-WCF composites.