废聚苯乙烯泡沫合成苯丙乳液的研究

崔 巍，杨昊淞

（1．抚顺职业技术学院，辽宁 抚顺 113122；2．中国石油上海销售公司，上海 201600）

聚苯乙烯泡沫是以聚苯乙烯树脂为主体，加入发泡剂及其它助剂制备而成的。它具有抗水性、密度小、抗震隔热、缓冲作用优异、成本低等特点，作为包装材料大量应用于家用电器、仪器设备和仪表等产品的包装。废聚苯乙烯泡沫体积大、质量轻、耐老化、抗腐蚀，化学性质稳定，不易被降解，易造成环境污染。目前国内外对废聚苯乙烯泡沫的回收再利用方法主要有掩埋焚烧法、物理再生[1-2]、生物降解法[3]、裂解回收法[4-8]、化学改性法[9-10]等。

苯丙乳液是由苯乙烯、丙烯酸酯类、丙烯酸等单体经乳液共聚而得到的悬浮液。以水为溶剂合成的苯丙乳液无毒无味，是环境友好的重要化工产品。苯丙乳液性价比高，具有耐候性好、耐光、耐腐蚀性、耐沾污性、耐擦洗性、附着力强、成膜性好等特点，用途十分广泛，现已在建筑涂料、金属表面乳胶涂料、地面涂料、纸张粘合剂、胶粘剂和皮革涂饰剂等领域得到广泛的应用[11-12]。

我们研发了一种废聚苯乙烯泡沫的资源化回收再利用方法。首先用新型复合溶剂将废聚苯乙烯泡沫消泡减容后，进行催化裂解，裂解油经过处理后分离得到自制苯乙烯；然后用自制苯乙烯合成苯丙乳液进行了实验研究，开发出一条产业化生产的最优工艺路线。经分析测试，该苯丙乳液的主要指标符合使用要求。

一、废聚苯乙烯泡沫的消泡减容

聚苯乙烯树脂发泡后体积增大40倍以上，空气体积占到98%以上。废聚苯乙烯泡沫体积大质量轻会造成运输难题，在工业化生产过程中，将废聚苯乙烯泡沫进行消泡减容处理。

目前的消泡方法主要有热压法、机压法、热熔融法、摩擦熔融法、溶解法和凝胶法等。考虑最终要合成苯丙乳液，我们采用溶解法进行消泡减容，问题的关键就是溶剂的选择。溶剂选择首先考虑的是对聚苯乙烯要有良好的溶解能力，但是采用一般的普通溶剂将在后续加工工艺中需要将溶剂与产品进行分离，这样生产工艺变得复杂，同时提高生产成本。综合考虑产业化生产工艺路线，课题组研发了一种新型复合溶剂，不仅聚苯乙烯泡沫的溶解度较大，而且在后续加工工艺中无需分离。

包装用后废聚苯乙烯泡沫首先经过人工收集、识别、分选、机械清洗后干燥，将其粉碎为直径约1～2 cm的小块泡沫，收集于容器中以备用。然后将废聚苯乙烯泡沫小块和新型复合溶剂按照2∶3的质量比加入到500 ml四口瓶中进行消泡减容，得到粘度适中的透明糊状物。

二、废聚苯乙烯泡沫的催化裂解

（一）实验材料和仪器

实验材料有氯化铝（分析纯）、氧化钡（分析纯）、苯乙烯（化学纯）。仪器有电子天平（JE201）、调温电热套（DZTW）、电动搅拌器（SG-3035D）、有机合成制备仪（天津玻璃仪器厂生产）、气相色谱仪（GC7900）（上海天每科学仪器有限公司生产）。

（二）实验方法

在已装入废聚苯乙烯泡沫消泡减容透明糊状物的500 ml四口圆底烧瓶中加入一定量裂解催化剂，安装电动搅拌器，一口安装温度计，一口连接回流冷凝管，另一口连接蒸馏装置，接收瓶置于装有冰水的烧杯内。然后开始加热升温，首先收集143～146℃馏分；继续加热升温，进行催化裂解反应，直至聚苯乙烯裂解完全。

催化裂解反应过程中生成了大量气体，这些气体经过冷凝管冷凝作用，分离为液态裂解油和裂解气。收集裂解油后进行称重，计算裂解率。催化裂解反应时间从液相温度高于180℃且有液态馏分回流或馏出时开始计算，记录反应过程中的温度和时间。

（三）苯乙烯组分定性分析

称取定量裂解油进行分馏实验，记录苯乙烯组分及其它各馏分的沸点和质量。用气相色谱面积归一化法对裂解油的各成分进行定量分析，对苯乙烯组分进行定性分析。

（四）实验结果

课题研究目标是将废聚苯乙烯泡沫消泡减容，催化裂解得到了裂解油，裂解油经过处理后分离得到自制苯乙烯，然后用自制苯乙烯合成苯丙乳液，所以在催化裂解反应过程中重点考虑裂解油收率、苯乙烯单体选择性等反应因素。根据文献报道，使用氧化钡为催化裂解催化剂，其用量为聚苯乙烯质量的2%，催化裂解反应温度设定在280～400℃，裂解油收率可达85%以上，裂解油中苯乙烯含量可达80%（w）以上。该实验结果与齐天庚等[13]的研究结果是一致的。

三、自制苯乙烯合成苯丙乳液

（一）实验材料和仪器

实验材料包括自制苯乙烯、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、2.2%聚丙烯酸钠、乳化剂ms-1、司盘80、乙二醇单乙醚、碳酸氢钠、过硫酸铵、氨水。所用试剂均为化学纯，聚合用单体蒸馏去除阻聚剂后备用，实验用水为蒸馏水。

仪器包括电子天平（JE201）、调温电热套（DZTW）、电动搅拌器（SG-3035D）、有机合成制备仪（天津玻璃仪器厂生产）、电热恒温鼓风干燥箱（101）（北京市永光明医疗仪器厂生产）、磁力搅拌器（78HW-1）（金坛市华锋仪器有限公司生产）、超级恒温水箱（Juhe601）（上海五久自动化设备有限公司生产）。

（二）实验方法

1．预乳化阶段

在烧杯中加入一定量的蒸馏水、乳化剂ms-1和丙烯酸，磁力搅拌35min，将其总量的1/3投入至1升的四口烧瓶中。

在剩余2/3物料中加入一定量的自制苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸钠，高速搅拌45 min，混合均匀后，得到预乳液；称量一定量过硫酸铵，溶于蒸馏水中制成引发剂溶液；称量一定量碳酸氢钠，溶于蒸馏水中制成PH值调节溶液。将预乳液、引发剂溶液和PH值调节剂溶液分别加入3个恒压滴液漏斗中待用。

2．合成苯丙乳液

安装实验装置：在1升的四口圆底烧瓶中安装电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗。水浴加热，保持温度80～85℃；设定时间，将预乳液、引发剂溶液和PH值调节溶液同时分别滴加至1升的四口圆底烧瓶中；滴加完毕后保温继续反应2 h，使反应溶液冷却至室温；用氨水调节PH值为7～8，出料得到苯丙乳液。

3．苯丙乳液主要指标分析测试

依据合成苯丙乳液的最佳原料配比，分别选用自制苯乙烯和苯乙烯化学试剂，进行化学合成苯丙乳液实验。参照国标GB/T11175-2002《合成树脂乳液试验方法》，对两种苯丙乳液产品的主要指标进行分析测试，分析测试结果完全相同（见表1）。

表1 苯丙乳液主要指标分析测试结果

（三）实验结果

聚合反应中选用不同单体具有不同的性能，苯丙乳液制备以苯乙烯和丙烯酸丁酯作为主要反应单体。苯乙烯含有苯环结构分子链刚性大，是硬单体，Tg较高，产品强度高，但乳液粘度降低、成膜性差；丙烯酸丁酯是软单体，Tg较低，它成膜性好，但产品强度低。丙烯酸丁酯市场售价比苯乙烯高，主要反应单体苯乙烯与丙烯酸丁酯用量比例为1∶1，苯丙乳液主要性能指标比较理想。而丙烯酸含有羧基结构亲水性较强，作为必要反应单体使用，将影响苯丙乳液的稳定性及粘接性[14]。根据文献[15]确定合成苯丙乳液的最佳原料配比（见表2）。

表2 制备苯丙乳液最佳原料配比

四、结论

第一，废聚苯乙烯泡沫经过人工收集、识别、分选、机械清洗、干燥和粉碎后，将废聚苯乙烯泡沫小块和新型复合溶剂按照2∶3的质量比进行消泡减容，得到粘度适中的透明糊状物。

第二，将废聚苯乙烯泡沫消泡减容后，使用氧化钡为催化裂解催化剂，其用量为聚苯乙烯质量的2%，催化裂解反应温度设定在在280～400℃，裂解油收率可达85%以上，裂解油中苯乙烯含量可达80%（w）以上。

第三，合成苯丙乳液以苯乙烯和丙烯酸丁酯作为主要反应单体，用量比例为1∶1。为了提高苯丙乳液的稳定性及粘接性，丙烯酸作为必要反应单体使用。合成苯丙乳液的最佳原料配比：20.0%自制苯乙烯、20.0%丙烯酸丁酯、2.5%甲基丙烯酸甲酯、2.2%丙烯酸、1.6%乳化剂、1.0%过硫酸铵、0.4%碳酸氢钠、50.9%蒸馏水。

这种废聚苯乙烯泡沫的资源化回收再利用方法，不仅解决了废聚苯乙烯泡沫的环境污染问题，同时降低了苯丙乳液的生产原料成本，市场应用前景广阔具有实用价值。