Настоящее изобретение по существу относится к способу очистки загрязненных полимеров с использованием растворителя под давлением и твердых сред. В частности, настоящее изобретение относится к способу очистки утилизированных полимеров, например пластмасс, утилизированных после бытового использования и промышленного использования, с получением бесцветного или прозрачного не имеющего запаха полимера, близкого к исходному полимеру. Он особенно эффективен для очистки полипропилена.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Полимеры, в частности синтетические пластмассы, широко используются в повседневной жизни благодаря их сравнительно низкой себестоимости и оптимальному сочетанию свойств материалов. Синтетические пластмассы используются в самых разных областях, например, как упаковочные материалы, компоненты автомобилей, медицинских устройств и потребительских товаров. Чтобы удовлетворить высокий спрос для этих видов применения, ежегодно в мире производятся сотни миллиардов фунтов синтетических пластмасс. Подавляющее большинство синтетических пластмасс производится из постепенно истощающегося ископаемого сырья, например из нефти и природного газа. Кроме того, производство синтетических пластмасс из ископаемого сырья приводит к образованию СО2 в качестве побочного продукта.
Следствием повсеместного использования синтетических пластмасс стали ежегодно накапливающиеся миллионы тонн отходов пластмассы. Несмотря на то что большая часть отходов пластмасс направляется на захоронение в рамках муниципальных программ утилизации твердых отходов, значительная часть отходов пластмасс попадает в окружающую среду в виде мусора, который портит вид окружающей среды и потенциально опасен для экосистем. Отходы пластмасс часто смываются в речные системы и в конечном счете попадают в море.
Переработка пластмасс стала одним из решений, позволяющих уменьшить проблемы, связанные с повсеместным использованием пластмасс. Восстановление и повторное использование пластмасс позволяет перенаправлять отходы со свалок и снижает потребность в исходных пластмассах, производимых из ископаемых ресурсов, что, соответственно, снижает выбросы парниковых газов. В развитых регионах, например США и Европейском союзе, уровни переработки пластмасс возрастают благодаря более широкой информированности потребителей, предприятий торговли и промышленного производства. Большинство утилизированных материалов, в том числе пластмасс, объединяется в единый поток, который собирается и перерабатывается на специализированных предприятиях по утилизации материалов (MRF). На MRF производится сортировка, промывка и упаковка материалов для последующей перепродажи. Пластмассы можно сортировать по отдельным материалам, таким как полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) или полиэтилентерефталат (ПЭТФ), или по смешанным потокам других распространенных пластмасс, таких как полипропилен (ПП), полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС), поликарбонат (ПК) и полиамиды (ПА). Отдельные или смешанные потоки могут затем проходить дополнительную сортировку, промывку и повторную обработку в гранулы, подходящие для повторного использования в переработке пластмасс, например для раздувного формования и литья под давлением.
Несмотря на то что утилизированные пластмассы преимущественно сортируются по однородным потокам и промываются водными и/или щелочными растворами, конечные переработанные гранулы часто сохраняют высокий уровень загрязнений с нежелательными примесями отходов, такими как остатки разложившихся продуктов питания и остаточные компоненты ароматических веществ. Кроме того, гранулы переработанных пластмасс, за исключением переработанной тары от напитков, имеют темную окраску из-за смеси красителей и пигментов, широко используемых для окрашивания изделий из пластмассы. Несмотря на то что для некоторых видов применения окраска и загрязнение не имеют значения (например, черная пластмассовая тара для красок и не относящиеся к отделке автомобильные компоненты), для большинства видов применения необходимы бесцветные гранулы. Потребность в высококачественных «близких к исходным» переработанных смолах особенно важна для видов применения, в которых полимер контактирует с продуктами питания или лекарственными средствами, например для упаковки продуктов питания. Кроме загрязнений примесями и смесью красящих веществ, многие переработанные смолистые продукты часто неоднородны по своему химическому составу и могут содержать значительное количество полимерных загрязняющих примесей, например загрязнение полиэтилена (ПЭ) вторичным ПП и наоборот.
Механическая переработка, также известная как вторичная переработка, представляет собой процесс преобразования утилизированных отходов пластмасс в повторно используемую форму для последующего производства. Более подробный обзор механической переработки и других процессов восстановления приведен в публикации S.M. Al-Salem, P. Lettieri, J. Baeyens, "Recycling and recovery routes of plastic solid waste (PSW): A review", Waste Management, Volume 29, Issue 10, October 2009, Pages 2625-2643, ISSN 0956-053X. Несмотря на то что достижения в области механических технологий регенерации позволили до некоторой степени улучшить качество переработанных полимеров, существуют фундаментальные ограничения подходов механической очистки, таких как физический захват пигментов в полимерной матрице. Таким образом, даже при всех усовершенствованиях технологий механической переработки темная окраска и высокие уровни химического загрязнения в доступных в настоящее время переработанных пластмассах препятствуют более широкому использованию переработанных смол в производстве пластмасс.
Для преодоления фундаментальных ограничений механической переработки разрабатывалось множество способов очистки загрязненных полимеров с использованием химических подходов или химической переработки. В большинстве из таких способов используются растворители для удаления примесей и очистки полимеров. Применение растворителей позволяет экстрагировать примеси и растворять полимеры, что дополнительно дает возможность применения альтернативных технологий разделения.
Например, в патенте США №7,935,736 описан способ переработки сложного полиэфира из содержащих полиэфир отходов с использованием растворителя для растворения полиэфира перед очисткой. В патенте '736 также описана необходимость использования осадителя для извлечения полиэфира из растворителя.
В качестве другого примера в патенте США №6,555,588 описан способ получения полипропиленовой смеси из смеси пластмасс, содержащей другие полимеры. В патенте '588 описана экстракция загрязнителей из полимера при температуре ниже температуры растворения полимера в выбранном растворителе, например в гексане, в течение определенного периода обработки. В патенте '588 дополнительно описано увеличение температуры растворителя (или второго растворителя) для растворения полимера перед фильтрованием. В патенте '588 дополнительно описано использование сдвига или потока для осаждения полипропилена из раствора. Полипропиленовая смесь, описанная в патенте '588, содержала загрязняющие примеси полиэтилена в количестве до 5,6 масс. %.
В другом примере в заявке на европейский патент №849,312 (в переводе с немецкого языка на английский) описан способ получения очищенных полиолефинов из содержащей полиолефины смеси пластмасс или содержащих полиолефины отходов. В заявке на патент '312 описана экстракция полиолефиновых смесей или отходов углеводородной фракцией бензина или дизельного топлива с температурой кипения выше 90°С при температурах от 90°С до температуры кипения углеводородного растворителя. В заявке на патент '312 дополнительно описан контакт горячего раствора полиолефинов с отбеливающей глиной и/или активированным углеродом для удаления посторонних компонентов из раствора. В патенте '312 также дополнительно описано охлаждение раствора до температур ниже 70°С для кристаллизации полиолефина и последующее удаление растворителя посредством нагревания полиолефина выше температуры плавления полиолефина, или выпаривания растворителя в вакууме или посредством продуваемого через осадок полиолефина потока газа, и/или экстракции растворителя спиртом или кетоном, которые кипят при температуре ниже температуры плавления полиолефина.
В другом примере в патенте США №5,198,471 описан способ разделения полимеров из физически соединенной твердой смеси (например, отходов пластмасс), содержащей множество полимеров, с использованием растворителя при первой более низкой температуре с образованием первого однофазного раствора и остатков твердого компонента. В патенте '471 дополнительно описано нагревание растворителя до более высоких температур для растворения дополнительных полимеров, которые не были солюбилизированы при первой более низкой температуре. В патенте '471 описано фильтрование нерастворимых полимерных компонентов.
В другом примере в патенте США №5,233,021 описан способ экстракции чистых полимерных компонентов из многокомпонентной структуры (например, отходов ковровой ткани) посредством растворения каждого компонента при соответствующей температуре и давлении в сверхкритической жидкости с последующим изменением температуры и/или давления для последовательной экстракции определенных компонентов. Однако, как и в патенте '471, в патенте '021 описано только фильтрование нерастворенных компонентов.
В качестве другого примера в патенте США №5,739,270 описан способ и аппарат для непрерывного отделения полимерного компонента пластмассы от загрязняющих примесей и других компонентов пластмассы с использованием сорастворителя и рабочей жидкости. Сорастворитель по меньшей мере частично растворяет полимер, а вторая жидкость (которая находится в жидком, критическом или сверхкритическом состоянии) солюбилизирует компоненты полимера и осаждает некоторые из растворенных полимеров из сорастворителя. В патенте '270 дополнительно описана стадия фильтрования смеси термопласта и сорастворителя (в присутствии или при отсутствии рабочей жидкости) для удаления загрязняющих частиц, таких как частицы стекла.
Известные способы очистки загрязненных полимеров с использованием растворителей, которые описаны выше, не позволяют получать «подобный исходному» полимер. В предлагаемых ранее способах часто происходит совместное растворение, а потому перекрестное загрязнение другими полимерами. При использовании адсорбента часто используется стадия фильтрования и/или центрифугирования для удаления адсорбента из раствора. Кроме того, для получения полимера, не содержащего остаточного растворителя, применяются процессы выделения для удаления растворителя, например нагревание, выпаривание под вакуумом и/или осаждение с использованием химического осадителя.
Соответственно, для очистки загрязненных полимеров по-прежнему существует потребность в более совершенном способе, основанном на применении растворителей, в котором используется растворитель, который легко и экономически выгодным образом удаляется из полимера, и такой способ отличается сравнительной простотой с точки зрения числа отдельных операций, позволяет получать полимер без значительного количества взаимно загрязняющих полимеров, обеспечивает получение полимера, по существу не имеющего цвета, и дает возможность извлекать полимер, по существу не имеющий запаха.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложен способ очистки регенерированного полипропилена. Способ включает:
a. Получение регенерированного полипропилена, выбранного из группы, состоящей из полимеров после бытового использования, полимеров после промышленного использования и их комбинаций;
b. Приведение в контакт регенерированного полипропилена при температуре от около 80°С до около 220°С и при давлении от около 150 фунтов на кв. дюйм (1,03 МПа) до около 15000 фунтов на кв. дюйм (103,42 МПа) с первым жидким растворителем со стандартной температурой кипения менее чем около 70°С, с получением экстрагированного регенерированного полипропилена;
c. Растворение экстрагированного регенерированного полипропилена в растворителе, выбранном из группы, состоящей из первого жидкого растворителя, второго жидкого растворителя и их смесей, при температуре от около 90°С до около 220°С и давлении от около 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до около 20000 фунтов на кв. дюйм (137,90 МПа), с получением первого раствора, содержащего полипропилен и взвешенные загрязняющие примеси;
d. Отстаивание первого раствора, содержащего полипропилен и суспендированные загрязняющие примеси, при температуре от около 90°С до около 220°С и под давлением от около 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до около 20000 фунтов на кв. дюйм (137,90 МПа) с получением второго раствора, содержащего полипропилен и оставшиеся загрязняющие примеси;
e. Очистку второго раствора при температуре от около 90°С до около 220°С и при давлении от около 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до около 20000 фунтов на кв. дюйм (137,90 МПа) посредством приведения в контакт второго раствора с твердой средой, с получением третьего раствора, содержащего более чистый полипропилен; и
f. Отделение более чистого полипропилена от третьего раствора.
Второй жидкий растворитель может иметь либо тот же химический состав, что и первый жидкий растворитель, либо другой химический состав.
В одном из вариантов осуществления полипропилен отделяют от третьего раствора при температуре от около 0°С до около 220°С и давлении от около 0 фунтов/кв. дюйм изб. (0 МПа) до около 2000 фунтов/кв. дюйм изб. (13,79 МПа). В другом варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В еще одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%.
В одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В еще одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%.
В одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации до 18%. В еще одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации до 16%. В одном варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации до 12%.
В одном варианте осуществления регенерированный полипропилен представляет собой полипропилен, полученный в результате регенерации после бытового использования. В другом варианте осуществления регенерированный полипропилен представляет собой гомополимер полипропилена или в основном сополимер полипропилена. В еще одном варианте осуществления жидкий растворитель имеет стандартную температуру кипения менее чем около 0°С и более чем около -45°С, и стандартное изменение энтальпии при испарении менее чем около +25 кДж/моль.
В одном варианте осуществления жидкий растворитель выбирают из группы, состоящей из олефиновых углеводородов, алифатических углеводородов и их смесей. В одном варианте осуществления алифатический углеводород выбран из группы, состоящей из алифатических углеводородов C1-C6 и их смесей. В другом варианте осуществления алифатические углеводороды и их смеси состоят в основном из алифатических углеводородов С4.
В одном варианте осуществления жидкий растворитель состоит по существу из сжиженного нефтяного газа С4 В одном варианте осуществления жидкий растворитель представляет собой н-бутан, изомеры бутана или их смеси. В другом варианте осуществления температура на стадиях приведения в контакт, растворения, отстаивания и очистки составляет от около 110°С до около 170°С.
В одном варианте осуществления давление на стадии приведения в контакт составляет от около 1100 фунтов на кв. дюйм (7,58 МПа) до около 2100 фунтов на кв. дюйм (14,48 МПа). В другом варианте осуществления давление на стадии приведения в контакт составляет менее чем около 1100 фунтов на кв. дюйм (7,58 МПа). В другом варианте осуществления давление на стадии растворения, отстаивания и очистки составляет более чем около 1100 фунтов на кв. дюйм (7,58 МПа). В одном варианте осуществления давление на стадии растворения, отстаивания и очистки составляет более чем около 2100 фунтов на кв. дюйм (14,48 МПа).
В одном варианте осуществления твердую среду выбирают из группы, состоящей из неорганических соединений, углеродсодержащих соединений и их смесей. В другом варианте осуществления неорганические соединения выбирают из группы, состоящей из оксидов кремния, оксидов алюминия, оксидов железа, алюмосиликатов, аморфных вулканических стекол и их смесей. В еще одном варианте осуществления неорганические соединения выбирают из группы, состоящей из силикагеля, диатомита, песка, кварца, глинозема, перлита, фуллеровой земли, бентонита и их смесей.
В одном варианте осуществления углеродсодержащие соединения выбирают из группы, состоящей из антрацитового угля, углеродной сажи, кокса, активированного углерода, целлюлозы и их смесей. В другом варианте осуществления приведение в контакт раствора полипропилена с твердой средой осуществляется в уплотненном слое указанной твердой среды. В одном варианте осуществления длина уплотненного слоя составляет более чем 20 см.
Дополнительные особенности изобретения будут очевидны специалистам в данной области после ознакомления с представленным ниже подробным описанием в сочетании с примерами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На ФИГ. 1 представлена технологическая блок-схема, отражающая основные стадии одного варианта осуществления настоящего изобретения.
На ФИГ. 2 изображена калибровочная кривая для расчета содержания полиэтилена в полипропилене с использованием значений энтальпии по результатам измерений посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC).
На ФИГ. 3 изображена схема экспериментальной установки, использованной на стадии экстракции примеров 2 и 3.
На ФИГ. 3В изображена схема экспериментальной установки, использованной на стадиях растворения и осаждения примеров 2 и 3.
На ФИГ. 4 представлена фотография иллюстративных образцов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
I. Определения
Используемый в настоящем документе термин «регенерированный полимер» относится к полимеру, использованному для ранее существовавших целей, а затем восстановленному для дополнительной переработки.
Используемый в настоящем документе термин «регенерированный полипропилен» (рПП) относится к полипропилену, использованному для ранее существовавших целей, а затем восстановленному для дополнительной переработки.
Термин «после бытового использования» в контексте настоящего документа относится к источнику материала, который поступает после того, как конечный потребитель использовал материал в потребительском товаре или продукте.
Термин «регенерация после бытового использования» (PCR) в контексте настоящего документа относится к материалу, получаемому после того, как потребитель использовал и утилизировал материал, направив его в поток отходов.
Термин «после промышленного использования» в контексте настоящего документа относится к источнику материала, который образуется в процессе производства товара или продукта.
Используемый в настоящем документе термин «жидкий растворитель» относится к веществу, которое может существовать в жидком состоянии в заданных условиях температуры и давления. В некоторых вариантах осуществления жидкий растворитель может быть преимущественно однородной химической композицией из одной молекулы или изомера, тогда как в других вариантах осуществления жидкий растворитель может представлять собой смесь нескольких различных молекулярных композиций или изомеров. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения термин «жидкий растворитель» может также применяться в отношении веществ, которые находятся в точке, вблизи или выше критической температуры и критического давления (критическая точка) такого вещества. Специалистам в данной области хорошо известно, что вещества, находящиеся выше критической точки такого вещества, известны как «сверхкритические жидкости», которые не обладают характерными физическими свойствами жидкости (например, плотностью).
Используемый в настоящем документе термин «растворенный» означает по меньшей мере частичное включение растворенного вещества (полимерного или не являющегося полимером) в растворитель на молекулярном уровне. Кроме того, термодинамическая стабильность раствора с растворенным веществом/растворителем может описываться следующим уравнением 1:
Уравнение 1
где ΔGmix обозначает изменение свободной энергии Гиббса при смешивании растворенного вещества с растворителем, ΔНmix обозначает изменение энтальпии при смешивании, Т - абсолютная температура, и ΔSmix обозначает энтропию при смешивании. Для сохранения стабильного раствора растворенного вещества в растворителе свободная энергия Гиббса должна быть отрицательной и находиться в минимуме. Таким образом, в настоящем изобретении может использоваться любая комбинация растворенного вещества и растворителя, которая минимизирует отрицательную свободную энергию Гиббса при соответствующих показателях температуры и давления.
Используемый в настоящем документе термин «стандартная температура кипения» относится к температуре кипения при абсолютном давлении, равном точно 100 кПа (1 бар, 14,5 абсолютных фунтов на кв. дюйм, 0,9869 атм), в соответствии с правилами Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).
Используемый в настоящем документе термин «стандартное изменение энтальпии при испарении» относится к изменению энтальпии, которое требуется для преобразования определенного количества вещества из жидкого в газообразное состояние при стандартной температуре кипения вещества.
Используемый в настоящем документе термин «раствор полипропилена» относится к раствору полипропилена, растворенного в растворителе. Раствор полипропилена может содержать нерастворенное вещество, а потому раствор полипропилена может также представлять собой «суспензию» нерастворенного вещества, суспендированного в растворе полипропилена, растворенного в растворителе.
В настоящем документе термины «осаждение» и «оседание» относятся к тенденции частиц внутри суспензии отделяться от жидкости в ответ на усилие (как правило, гравитационное усилие), воздействующее на частицы.
В настоящем документе термин «суспендированные загрязняющие вещества» относится к посторонним или нежелательным компонентам, присутствующим в основной массе среды гетерогенной смеси.
Используемый в настоящем документе термин «твердая среда» относится к веществу, которое в условиях его использования существует в твердом состоянии. Твердая среда может быть кристаллической, полукристаллической или аморфной. Твердая среда может быть гранулированной и может поставляться в гранулах различной формы (например, сферы, цилиндры, шарики и т.п.). В случае гранулированной твердой среды размер частиц и распределение частиц твердой среды по размерам могут определяться размером ячейки сита, используемого для сортировки гранулированной среды. Пример стандартных обозначений размеров ячейки сита можно найти в стандарте ASTM Е11 Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM), имеющем название «Стандартная спецификация на металлотканую испытательную ситовую ткань и испытательные сита». Твердая среда также может представлять собой нетканый волокнистый мат или тканое полотно.
Используемый в настоящем документе термин «более чистый раствор полипропилена» относится к раствору полипропилена с меньшим количеством загрязняющих примесей по сравнению с тем же раствором полипропилена до стадии очистки.
Термин «экстракция», в контексте настоящего документа, относится к способу переноса растворенного вещества из жидкой фазы (или твердой матрицы) через границу фазы к отдельной несмешивающейся жидкой фазе. Движущая сила (силы) для экстракции описана в теории разделения.
Термин «экстрагированный», в контексте настоящего документа, относится к материалу, имеющему меньшее количество растворенных веществ по сравнению с тем же материалом перед стадии экстракции. Термин «экстрагированный регенерированный полипропилен», в контексте настоящего документа, относится к регенерированному полипропилену, имеющему меньшее количество растворенных веществ по сравнению с тем же регенерированным полипропиленом перед стадии экстракции.
Используемый в настоящем документе термин «подобный исходному» означает по существу не содержащий загрязнений, не содержащий пигментов, не имеющий запаха, однородный и подобный по свойствам исходным полимерам.
Используемый в настоящем документе термин «в основном сополимер полипропилена» относится к сополимеру, содержащему более 70 моль % повторяющихся звеньев пропилена.
В настоящем документе любое упоминание международных единиц давления (например, МПа) относится к манометрическому давлению.
II. Способ очистки загрязненного полипропилена
Неожиданно было обнаружено, что некоторые жидкие растворители, которые в предпочтительном варианте осуществления демонстрируют зависящую от температуры и давления растворимость полимеров, при использовании в сравнительно простом способе могут применяться для очистки загрязненных полимеров, в частности восстановленных или переработанных полимеров, до почти подобного исходному качества. Данный способ, пример которого приведен на ФИГ. 1, включает 1) получение регенерированного полипропилена (стадия а на ФИГ. 1), с последующей 2) экстракцией полипропилена жидким растворителем при температуре экстракции (ТЕ) и при давлении экстракции (РЕ) (стадия b на ФИГ. 1), с последующим 3) растворением полипропилена в жидком растворителе при температуре растворения (TD) и при давлении растворения (PD) (стадия с на ФИГ. 1), с последующим 4) отстаиванием раствора полипропилена при температуре растворения (TD) и давлении растворения (PD) (стадия d на ФИГ. 1), с последующим 5) приведением в контакт раствора растворенного полипропилена с твердой средой при температуре растворения (TD) и давлении растворения (PD) (стадия е на ФИГ. 1), с последующим отделением полипропилена от жидкого растворителя (стадия f на ФИГ. 1).
В одном варианте осуществления настоящего изобретения очищенный полипропилен, источником которого могут быть потоки отходов после бытового использования, по существу не содержат загрязняющих примесей, пигментов, не имеют запаха, однородны и близки по своим свойствам к исходному полипропилену. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления физические свойства жидкого растворителя настоящего изобретения могут обеспечивать более энергетически эффективные способы отделения жидкого растворителя от очищенного полипропилена.
Регенерированный полипропилен
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки регенерированного полипропилена включает получение регенерированного полипропилена. Для целей настоящего изобретения источником регенерированного полипропилена являются потоки отходов после бытового использования, после промышленного использования, после коммерческого использования и/или другие специфичные потоки отходов. Например, отходы полипропилена после бытового использования могут быть получены от потоков перерабатываемого уличного мусора, где конечные потребители помещают использованные полимеры из упаковок и других изделий в специально обозначенные контейнеры для сбора мусоровозами или компаниями по переработке. Отходы полимеров после бытового использования могут быть также получены от программ возврата тары в магазинах, при этом потребители приносят отходы полимеров в магазин и помещают отходы полимеров в специально обозначенные контейнеры для сбора. Примером отходов полимеров после промышленного использования могут быть отходы полимеров, которые образуются в процессе производства или отгрузки товара или изделия и которые собираются производителем в качестве не подлежащего использованию материала (например, кромочная обрезь, не соответствующий спецификации материал, отходы после предварительной обработки). Примером отработанных полимеров из специфичного потока отходов могут быть отходы полимеров, получаемых после переработки отходов электроники, также называемых электронным ломом. Другим примером отходов полимеров из специфичного потока отходов могут быть отходы полимеров, получаемые после утилизации автомобилей. Еще одним примером отходов полимеров из специфичного потока отходов могут быть отходы полимеров, получаемые после переработки использованного коврового покрытия и текстиля.
Для целей настоящего изобретения регенерированный полипропилен представляет собой однородную композицию отдельного полимера или смесь нескольких различных композиций полипропилена. Не имеющие ограничительного характера примеры композиций полипропилена включают гомополимеры пропилена, сополимеры пропилена и этилена (в том числе «ударопрочные» и «статистические осветленные» сополимеры), сополимеры пропилена и альфа-олефинов, полипропиленовые каучуки и другие растворимые композиции полипропилена, которые могут быть очевидны специалистам в данной области.
Регенерированный полипропилен может также содержать различные пигменты, красители, технологические вспомогательные вещества, стабилизирующие добавки, наполнители и другие технологические добавки, которые вносятся в полимер в процессе полимеризации или превращения исходного полимера в конечную форму изделия. Не имеющими ограничительного характера примерами пигментов являются органические пигменты, например фталоцианин меди, неорганические пигменты, например диоксид титана, и другие пигменты, которые могут быть очевидны специалистам в данной области. Не имеющим ограничительного характера примером органического красителя является желтый краситель Basic Yellow 51. Не имеющими ограничительного характера примерами технологических вспомогательных веществ являются антистатики, например глицеринмоностеарат, а также снижающие трение вещества, например эрукамид. Не имеющим ограничительного характера примером стабилизирующей добавки является октадецил-3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропионат. Не имеющими ограничительного характера примерами наполнителей являются карбонат кальция, тальк и стекловолокна.
Растворитель
Жидкий растворитель настоящего изобретения имеет стандартную температуру кипения менее около 70°С. Повышение давления позволяет поддерживать растворитель со стандартными температурами кипения ниже диапазона рабочих температур настоящего изобретения в состоянии, при котором наблюдаются незначительное испарение растворителя или полное отсутствие испарения. В одном варианте осуществления жидкий растворитель со стандартной температурой кипения менее чем около 70°С выбран из группы, состоящей из диоксида углерода, кетонов, спиртов, простых эфиров, сложных эфиров, алкенов, алканов и их смесей. Не имеющими ограничительного характера примерами жидких растворителей со стандартными температурами кипения меньше около 70°С являются диоксид углерода, ацетон, метанол, диметиловый простой эфир, диэтиловый простой эфир, этилметиловый простой эфир, тетрагидрофуран, метилацетат, этилен, пропилен, 1-бутен, 2-бутен, изобутилен, 1-пентен, 2-пентен, разветвленные изомеры пентена, 1-гексен, 2-гексен, метан, этан, пропан, н-бутан, изобутан, н-пентан, изопентан, неопентан, н-гексен, изомеры изогексана и другие вещества, которые могут быть очевидны специалистам в данной области техники.
Выбор используемого жидкого растворителя будет определять диапазоны температуры и давления, применяемые для проведения стадий настоящего изобретения. Ниже приведена ссылка на обзор поведения фазы полимера в растворителях, подобных описанным в настоящем изобретении: McHugh et al. (1999) Chem. Rev. 99:565-602.
Экстракция
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки полипропилена включает приведение в контакт регенерированного полипропилена с жидким растворителем при таких показателях температуры и давления, при которых полимер по существу нерастворим в жидком растворителе. Без привязки к какой-либо теории заявители полагают, что зависимую от температуры и давления растворимость можно контролировать таким образом, чтобы исключить полную солюбилизацию полимера жидким растворителем, при этом жидкий растворитель может диффундировать в полимер для экстракции из него любых экстрагируемых загрязняющих примесей. К экстрагируемым загрязняющим примесям могут относиться остаточные технологические вспомогательные вещества, добавляемые в полимер, остаточные компоненты изделия, которое контактировало с полимером, например отдушки и ароматизаторы, красители и любой другой экстрагируемый материал, который мог быть специально добавлен или случайно включен в полимер, например, в процессе сбора отходов и их последующего накопления вместе с другими материалами отходов.
В одном варианте осуществления контролируемая экстракция может осуществляться посредством фиксации температуры в системе полимер/жидкий растворитель с последующим снижением давления ниже уровня или диапазона давлений, при которых полимер растворяется в жидком растворителе. В другом варианте осуществления контролируемая экстракция осуществляется посредством фиксации давления в системе полимер/растворитель с последующим снижением температуры ниже уровня или диапазона температур, при которых полимер растворяется в жидком растворителе. Для экстракции полимера жидким растворителем при контролируемой температуре и давлении используется подходящий аппарат высокого давления, который может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечивать возможность непрерывной экстракции полимера жидким растворителем. В одном варианте осуществления настоящего изобретения аппарат высокого давления может представлять собой экстракционную колонну для непрерывной экстракции из жидкой фазы, причем с одного конца такой экстракционной колонны подается расплавленный полимер, и с того же или противоположного конца экстракционной колонны подается жидкий растворитель. В другом варианте осуществления процесс предусматривает отвод жидкости, содержащей экстрагированные загрязняющие примеси. В другом варианте осуществления жидкость, содержащая экстрагированные загрязняющие примеси, очищается, регенерируется и возвращается для использования на стадии экстракции или на другой стадии процесса. В одном варианте осуществления настоящего изобретения экстракция может проводиться периодическим способом, при котором регенерированный полипропилен фиксирован в аппарате высокого давления, и через фазу фиксированного полимера непрерывно подают жидкий растворитель. Время экстракции или количество используемого жидкого растворителя будут зависеть от желаемой чистоты конечного более чистого полимера и количества экстрагируемых загрязняющих примесей в исходном регенерированном полипропилене. В другом варианте осуществления жидкость, содержащая экстрагированные загрязняющие примеси, контактирует с твердой средой на отдельной стадии, как описано ниже в разделе «Очистка». В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт регенерированного полипропилена с жидким растворителем при таких показателях температуры и давления, при которых полимер находится в расплавленном и жидком состоянии. В другом варианте осуществления регенерированный полипропилен контактирует с жидким растворителем при таких показателях температуры и давления, при которых полимер находится в твердом состоянии.
В одном варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение полипропилена в контакт с жидким растворителем при таких показателях температуры и давления, при которых полипропилен остается по существу нерастворенным. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с н-бутаном при температуре от около 80°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с н-бутаном при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с н-бутаном при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с н-бутаном при давлении от около 150 фунтов на кв. дюйм (1,03 МПа) до около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с н-бутаном при давлении от около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа) до около 2750 фунтов на кв. дюйм (18,96 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с н-бутаном при давлении от около 1500 фунтов на кв. дюйм (10,34 МПа) до около 2500 фунтов на кв. дюйм (17,24 МПа).
В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с пропаном при температуре от около 80°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с пропаном при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с пропаном при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с пропаном при давлении от около 200 фунтов на кв. дюйм (1,38 МПа) до около 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с пропаном при давлении от около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа) до около 6000 фунтов на кв. дюйм (41,37 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт полипропилена с пропаном при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 4000 фунтов на кв. дюйм (27,58 МПа).
Растворение
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение регенерированного полипропилена в жидком растворителе при таких показателях температуры и давления, при которых полимер растворяется в жидком растворителе. Без привязки к какой-либо теории заявители полагают, что температуру и давление можно контролировать таким образом, чтобы обеспечить термодинамически благоприятное растворение регенерированного полимера в жидком растворителе. Кроме того, температуру и давление можно контролировать таким образом, чтобы обеспечить растворение конкретного полимера или смеси полимеров, не допуская растворения других полимеров или смесей полимеров. Такое контролируемое растворение позволяет отделять полимеры от смесей полимеров.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки полимеров включает растворение загрязненного регенерированного полипропилена в растворителе, который при тех же условиях температуры и давления не растворяет загрязнители. Загрязнители могут включать пигменты, наполнители, грязь и другие полимеры. Такие загрязнители высвобождаются из регенерированного полипропилена при растворении, а затем удаляются из раствора полимера на последующей стадии разделения твердой и жидкой фазы.
В одном варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в жидком растворителе при таких показателях температуры и давления, при которых полипропилен растворяется в жидком растворителе. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в н-бутане при температуре от около 90°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в н-бутане при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в н-бутане при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена с н-бутаном при давлении от около 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до около 4000 фунтов на кв. дюйм (27,57 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена с н-бутаном при давлении от около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа) до около 3500 фунтов на кв. дюйм (24,13 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена с н-бутаном при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в н-бутане при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в н-бутане при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 18%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 16%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 12%.
В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при температуре от около 90°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при давлении от около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа) до около 6000 фунтов на кв. дюйм (41,37 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при давлении от около 3500 фунтов на кв. дюйм (24,13 МПа) до около 5000 фунтов на кв. дюйм (34,47 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает растворение полипропилена в пропане при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 18%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 16%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 12%.
Осаждение
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение нерастворенных загрязняющих примесей от раствора полипропилена посредством стадии осаждения (также известной как отстаивание) при температуре и давлении, при которых полимер остается растворенным в жидком растворителе. В одном варианте осуществления стадия осаждения приводит к тому, что нерастворенные загрязняющие примеси испытывают силу, которая равномерно перемещает нерастворенные загрязняющие примеси в направлении силы. Обычно применяемое фиксирующее усилие представляет собой гравитационное усилие, но также может представлять собой центробежное, центростремительное или некоторое другое усилие. Количество приложенного усилия и продолжительность времени осаждения будет зависеть от нескольких параметров, включая, без ограничений: размер частиц загрязняющих частиц, плотность загрязняющих частиц, плотность текучей среды или раствора, и вязкость текучей среды или раствора. Следующее уравнение (уравнение 2) представляет собой соотношение между указанными выше параметрами и скоростью осаждения, которое является мерой скорости осаждения загрязняющих примесей:
Уравнение 2
где ν представляет собой скорость осаждения, ρр представляет собой плотность загрязняющей частицы, ρƒ представляет собой плотность текучей среды или раствора, g представляет собой ускорение в устранении приложенного усилия (обычно под действием силы тяжести), r представляет собой радиус загрязняющей частицы и η является динамической вязкостью текучей среды или раствора. Некоторые из ключевых параметров, определяющих вязкость раствора, представляют собой: химическую композицию жидкого растворителя, молекулярную массу полимера, растворенного в жидком растворителе, концентрацию растворенного полимера в жидком растворителе, температуру раствора жидкого растворителя и давление раствора жидкого растворителя.
В одном варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/жидкий растворитель при температуре и давлении, при которых полипропилен остается растворенным в жидком растворителе. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан при температуре от около 90°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан при давлении от около 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до около 4000 фунтов на кв. дюйм (27,57 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан при давлении от около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа) до около 3500 фунтов на кв. дюйм (24,13 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/н-бутан, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 18%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 16%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 12%.
В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан при температуре от около 90°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан при давлении от около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа) до около 6000 фунтов на кв. дюйм (41,37 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан при давлении от около 3500 фунтов на кв. дюйм (24,13 МПа) до около 5000 фунтов на кв. дюйм (34,47 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает осаждение загрязняющих примесей из раствора полипропилен/пропан, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 18%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 16%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 12%.
Очистка
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки полипропилена включает приведение в контакт раствора загрязненного полимера с твердой средой при таких показателях температуры и давления, при которых полимер остается растворенным в жидком растворителе. Твердая среда в настоящем изобретении представляет собой любой твердый материал, который удаляет по меньшей мере некоторые загрязняющие примеси из раствора регенерированного полипропилена, растворенного в жидком растворителе настоящего изобретения. Без привязки к какой-либо теории заявители полагают, что твердая среда удаляет загрязняющие примеси за счет различных механизмов. Не имеющие ограничительного характера примеры возможных механизмов включают адсорбцию, абсорбцию, эксклюзию по размерам, эксклюзию ионов, ионный обмен и другие механизмы, которые могут быть очевидны специалистам в данной области. Кроме того, пигменты и другие загрязняющие примеси, которые обычно присутствуют в регенерированном полипропилене, могут представлять собой полярные соединения и могут предпочтительным образом взаимодействовать с твердой средой, которая также может быть по меньшей мере незначительно полярной. Взаимодействия между полярными компонентами могут быть особенно эффективными, если в качестве жидкого растворителя используются неполярные растворители, например алканы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения твердую среду выбирают из группы, состоящей из неорганических соединений, углеродсодержащих соединений или их смесей. К подходящим примерам неорганических соединений относятся оксиды кремния, оксиды алюминия, оксиды железа, алюмосиликаты, силикаты магния, аморфные вулканические стекла, кремнезем, силикагель, диатомит, песок, кварц, регенерированное стекло, глинозем, перлит, фуллерова земля, бентонит и их смеси. К подходящим примерам углеродсодержащих соединений относятся антрацитовый уголь, углеродная сажа, кокс, активированный углерод, целлюлоза и их смеси. В другом варианте осуществления настоящего изобретения твердая среда представляет собой регенерированное стекло.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения твердая среда контактирует с полимером в реакторе в течение заданного периода времени, при этом твердую среду перемешивают. В другом варианте осуществления твердую среду удаляют из раствора более чистого полимера на стадии разделения твердой и жидкой фаз. Не имеющие ограничительного характера примеры стадий разделения твердой и жидкой фаз включают фильтрование, декантацию, центрифугирование и осаждение. В другом варианте осуществления настоящего изобретения загрязненный раствор полимера пропускают через неподвижный слой твердой среды. В другом варианте осуществления настоящего изобретения высота или длина неподвижного слоя твердой среды превышает 5 см. В другом варианте осуществления настоящего изобретения высота или длина неподвижного слоя твердой среды превышает 10 см. В другом варианте осуществления настоящего изобретения высота или длина неподвижного слоя твердой среды превышает 20 см. В другом варианте осуществления настоящего изобретения твердую среду по мере необходимости заменяют, чтобы поддерживать желательную чистоту полимера. В еще одном варианте осуществления твердую среду регенерируют и повторно используют на стадии очистки. В другом варианте осуществления твердую среду регенерируют, создавая псевдоожиженный слой твердой среды на стадии обратной промывки.
В одном варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/жидкий растворитель с твердой средой при таких показателях температуры и давления, при которых полипропилен остается растворенным в жидком растворителе. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой при температуре от около 90°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой при давлении от около 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до около 4000 фунтов на кв. дюйм (27,57 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой при давлении от около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа) до около 3500 фунтов на кв. дюйм (24,13 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/н-бутан с твердой средой, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 18%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 16%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 12%.
В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой при температуре от около 90°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой при давлении от около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа) до около 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой при давлении от около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа) до около 6000 фунтов на кв. дюйм (41,37 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой при давлении от около 3500 фунтов на кв. дюйм (24,13 МПа) до около 5000 фунтов на кв. дюйм (34,47 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 1%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 3%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 4%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает приведение в контакт раствора полипропилен/пропан с твердой средой, причем полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 20%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 18%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 16%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 14%. В другом варианте осуществления полипропилен растворяют при массовой процентной концентрации до 12%.
Разделение
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение более чистого полимера от жидкого растворителя при таких показателях температуры и давления, при которых полимер осаждается из раствора и не остается растворенным в жидком растворителе. В другом варианте осуществления осаждение более чистого полимера из жидкого растворителя достигается посредством снижения давления при фиксированной температуре. В другом варианте осуществления осаждение более чистого полимера из жидкого растворителя достигается посредством снижения температуры при фиксированном давлении. В другом варианте осуществления осаждение более чистого полимера из жидкого растворителя достигается посредством повышения температуры при фиксированном давлении. В другом варианте осуществления осаждение более чистого полимера из жидкого растворителя достигается посредством снижения как температуры, так и давления. Растворитель может быть частично или полностью преобразован из жидкой фазы в парообразную посредством управления температурой и давлением. В другом варианте осуществления осажденный полимер отделяется от жидкого растворителя без полного превращения жидкого растворителя в 100% в парообразную фазу посредством управления температурой и давлением растворителя на стадии разделения. Отделение осажденного более чистого полимера осуществляется любым способом разделения жидких фаз или твердой и жидкой фазы. Не имеющими ограничительного характера примерами разделения жидких фаз или твердой и жидкой фазы являются фильтрование, декантация, центрифугирование и осаждение.
В одном варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/жидкий растворитель при таких показателях температуры и давления, при которых полипропилен осаждается из раствора. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/н-бутан при температуре от около 0°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/н-бутан при температуре от около 100°С до около 200°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/н-бутан при температуре от около 130°С до около 180°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилена/н-бутан при давлении от около 0 фунтов на кв. дюйм (0 МПа) до около 2000 фунтов на кв. дюйм (13,79 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилена/н-бутан при давлении от около 50 фунтов на кв. дюйм (0,34 МПа) до около 1500 фунтов на кв. дюйм (10,34 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилена/н-бутан при давлении от около 75 фунтов на кв. дюйм (0,52 МПа) до около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа).
В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/пропан при температуре от около -42°С до около 220°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/пропан при температуре от около 0°С до около 150°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилен/пропан при температуре от около 50°С до около 130°С. В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилена/пропан при давлении от около 0 фунтов на кв. дюйм (0 МПа) до около 6000 фунтов на кв. дюйм (41,37 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилена/пропан при давлении от около 50 фунтов на кв. дюйм (0,34 МПа) до около 3000 фунтов на кв. дюйм (20,68 МПа). В другом варианте осуществления способ очистки регенерированного полипропилена включает отделение полипропилена от раствора полипропилена/пропан при давлении от около 75 фунтов на кв. дюйм (0,52 МПа) до около 1000 фунтов на кв. дюйм (6,89 МПа).
III. Методы испытаний
Описанные в настоящем документе методы испытаний использовались для измерения эффективности различных способов очистки полимеров. В частности, описанные методы демонстрируют эффективность определенного способа очистки в отношении улучшения цвета или светопроницаемости/прозрачности (например, достижение окраски и степени непрозрачности регенерированного полипропилена, близких к характеристикам бесцветного исходного полимера), снижения или удаления элементарных загрязняющих примесей (например, удаление тяжелых металлов), снижения или удаления негорючих загрязняющих примесей (например, неорганических наполнителей), снижения или удаления летучих соединений (особенно летучих соединений, которые являются причиной неприятного запаха регенерированного полипропилена) и снижения или удаления полимерных загрязняющих примесей (например, примеси полиэтилена в полипропилене).
Измерение показателей цвета и степени непрозрачности
Цвет и степень непрозрачности/светопроницаемости полимера являются важными параметрами, которые определяют, можно ли при использовании данного полимера добиться желаемых визуальных эстетических качеств изделия, изготавливаемого из данного полимера. Регенерированный полипропилен, в частности полипропилен, полученный регенерацией после бытового использования, обычно отличается темной окраской и является непрозрачным из-за присутствия остаточных пигментов, наполнителей и других загрязняющих примесей. Поэтому измерения показателей цвета и степени непрозрачности являются важными параметрами для определения эффективности способа очистки полимеров.
Перед измерением показателей цвета проводят компрессионное формование образцов полимерных порошков или гранул, чтобы получить квадратные образцы для испытаний (с закругленными углами) размерами 30 мм ширина × 30 мм длина × 1 мм толщина. Порошковые образцы вначале уплотняют при комнатной температуре (около 20-23°С) холодным прессованием порошка в лист между прижимными плитами из нержавеющей стали с использованием в качестве разделительного слоя чистой, ранее не использованной алюминиевой фольги. Затем около 0,85 г порошка после холодного прессования или гранул прессуют в образцы для испытаний с помощью пресса Carver Press Model С (Carver, Inc., г. Уобаш, штат Индиана, IN 46992-0554, США), предварительно нагретого до 200°С, с помощью алюминиевых прижимных плит, с использованием в качестве разделительных слоев ранее не использованной алюминиевой фольги и прокладки из нержавеющей стали с полостью, соответствующей приведенным выше размерам квадратных образцов для испытаний. Прежде чем прикладывать давление, образцы нагревают в течение 5 минут. Через 5 минут включают пресс с гидравлическим давлением, составляющим по меньшей мере 2 тонны (1,81 метрической тонны) по меньшей мере на 5 секунд, после чего давление убирают. Затем извлекают формованную стопку и помещают ее между двумя толстыми плоскими металлическими устройствами теплоотвода для охлаждения. После этого отделяют от образца и утилизируют разделительные слои алюминиевой фольги. По меньшей мере с одной стороны отделяют выпрессовку вокруг образца до края пресс-формы, а затем извлекают образец из формы. Каждый образец для испытаний визуально осматривают на предмет наличия дефектов в виде пустот/пузырьков и для измерения показателей цвета используют только образцы, в которых в зоне измерения показателей цвета (с минимальным диаметром 0,7 дюйма (17,78 мм)) отсутствуют какие-либо дефекты.
Цвет каждого образца описывали с использованием показателей трехмерного цветового пространства L*, а*, b* от Международной комиссии по освещению (CIE). Параметр L* представляет собой меру светлоты образца, при этом L*=0 соответствует наиболее темному черному образцу, a L*=100 соответствует наиболее светлому белому образцу. Параметр a* является мерой цветности красного или зеленого цвета образца, при этом положительные значения а* соответствуют красному цвету, а отрицательные значения a* соответствуют зеленому цвету. Параметр b* является мерой цветности синего или желтого цвета образца, при этом положительные значения b* соответствуют желтому цвету, а отрицательные значения b* соответствуют синему цвету. Значения L*a*b* каждого квадратного образца для испытаний размерами 30 мм ширина × 30 мм длина × 1 мм толщина измеряли с помощью спектрофотометра HunterLab модели LabScan ХЕ (Hunter Associates Laboratory, Inc., г. Рестон, штат Вирджиния, VA 20190-5280, США). Спектрофотометр был выполнен с возможностью использования D65 в качестве стандартного осветителя, с углом наблюдателя 10°, диаметром поля зрения 1,75 дюйма (44,45 мм) и диаметром порта 0,7 дюйма (17,78 мм).
Степень непрозрачности каждого образца, которая является мерой количества света, проходящего через образец (то есть мерой светопроницаемости образца), определяли с помощью упомянутого выше спектрофотометра HunterLab в режиме светонепроницаемости с контрастным соотношением. Для определения степени непрозрачности каждого образца проводили два измерения. Одно для измерения значения яркости образца с белым фоном, Yбел. фон, и одно для измерения яркости образца с черным фоном, Yчерн. фон. Затем рассчитывали степень непрозрачности по значениям яркости с использованием следующего уравнения 3:
Уравнение 3
Элементный анализ
Многие источники регенерированного полипропилена отличаются недопустимо высокими концентрациями загрязняющих примесей тяжелых металлов. Присутствие тяжелых металлов, например свинца, ртути, кадмия и хрома, может ограничивать использование регенерированного полипропилена в некоторых видах применения, например в видах применения, где присутствует контакт с продуктами питания или лекарственными средствами, или в видах применения, связанных с медицинскими устройствами. Поэтому измерение концентрации тяжелых металлов имеет важное значение для определения эффективности способа очистки полимеров.
Элементный анализ осуществляется с использованием масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). Растворы для испытаний готовили в количестве от n=2 до n=6 в зависимости от доступности образца, смешивая ~0,25 г образца с 4 мл концентрированной азотной кислоты и 1 мл концентрированной фтористоводородной кислоты (HF). Образцы дегазировали с использованием протокола микроволнового разложения Ultrawave, предусматривающего линейное изменение температуры до 125°С в течение 20 мин, линейное изменение температуры до 250°С в течение 10 мин и выдерживание при температуре 250°С в течение 20 мин. Разложившиеся образцы охлаждали до комнатной температуры. Разложившиеся образцы разбавляли до 50 мл после добавления 0,25 мл 100 ч/млн Ge и Rh в качестве внутреннего стандарта. Чтобы оценить точность измерений, готовили стандарты до разложения путем введения добавок в исходный полимер. Образцы содержащего добавки исходного полимера взвешивали в соответствии с упомянутой выше процедурой и добавляли необходимое количество стандарта каждого отдельного представляющего интерес элемента, к которым относились следующие: Na, Al, Са, Ti, Cr, Fe, Ni, Сu, Zn, Cd и Pb. Стандарты готовились для двух различных уровней: «низкий уровень добавки» и «высокий уровень добавки». Каждый стандарт готовили в трех экземплярах. Кроме введения добавок в исходный полимер, добавляли также контрольную добавку, чтобы убедиться в отсутствии ошибок при отборе проб пипеткой и для отслеживания восстановления в ходе процесса. Образцы с контрольными добавками также готовили в трех экземплярах с двумя различными уровнями и их обрабатывали таким же образом, как и образцы содержащего добавки исходного полимера и образцы для испытаний. Для построения калибровочной кривой использовали 9 точек, которые получали, приготовляя растворы 0,05, 0,1, 0,5, 1, 5, 10, 50, 100 и 500 ч/млрд, содержащие Na, Al, Са, Ti, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd и Pb. Все стандарты для калибровки готовили разбавлением чистых стандартных эталонных растворов и 0,25 мл 100 ч/млн Ge и Rh в качестве внутреннего стандарта с 4 мл концентрированной азотной кислоты и 1 мл концентрированной HF. Приготовленные стандарты, образцы для испытаний и образцы для испытаний с добавками анализировали с помощью прибора Agilent 8800 ICP- QQQMS, с оптимизацией в соответствии с рекомендациями производителя. Ниже приводятся отслеживаемые значения m/z для каждого анализируемого элемента и газ столкновительной ячейки, который использовался для анализа: Na, 23 m/z, Н2; Al, 27 m/z, Н2; Са, 40 m/z, Н2; Ti, 48 m/z, Н2; Cr, 52 m/z, He; Fe, 56 m/z, H2; Ni, 60 m/z; без газа; Cu, 65 m/z, без газа; Zn, 64 m/z, He; Cd, 112 m/z; H2; Pb, сумма 206≥206, 207≥207, 208≥208 m/z, без газа; Ge, 72 m/z, все режимы; Rh, 103 m/z, все режимы. Ge использовали в качестве внутреннего стандарта для всех элементов <103 m/z, a Rh использовали для всех элементов >103 m/z.
Остаточная зольность
Многие источники регенерированного полипропилена содержат различные наполнители, например карбонат кальция, тальк и стекловолокно. Несмотря на свои полезные функциональные свойства для первоначальных видов применения регенерированного полипропилена, такие наполнители изменяют физические свойства полимера таким образом, который может быть нежелательным для последующего использования регенерированного полипропилена. Поэтому измерение количества наполнителей имеет важное значение для определения эффективности способа очистки полимеров.
Для количественного определения негорючих материалов в образце (также иногда называемого зольностью) проводили измерения с помощью термогравиметрического анализа (ТГА). Около 5-15 мг образца загружали в платиновый тигель для образца и нагревали до 700°С со скоростью 20°С/мин в атмосфере воздуха в приборе ТА Instruments, модель Q500 TGA. Образец выдерживали в изотермических условиях в течение 10 мин при 700°С. Процентную остаточную массу измеряли при 700°С после изотермического выдерживания.
Анализ запаха
Органолептический анализ запаха проводили, помещая около 3 г каждого образца в стеклянный флакон объемом 20 мл и выдерживая образец при комнатной температуре по меньшей мере 30 мин для уравновешивания. После уравновешивания каждый флакон открывали, и квалифицированный оценщик вдыхал верхнюю пробу воздуха (вдох носом), чтобы определить интенсивность запаха и профиль его описания. Интенсивность запаха оценивали в соответствии со следующей шкалой:
5 = очень сильный
4 = сильный
3 = умеренный
2 = от слабого до умеренного
1 = слабый
0 = запах отсутствует
Анализ полимерных загрязняющих примесей
Многие источники регенерированного полипропилена, в частности регенерированный полипропилен, полученный из смешанных источников, могут содержать нежелательные полимерные загрязняющие примеси. Без привязки к какой-либо теории принято считать, что полимерные загрязняющие примеси, например загрязняющие примеси полиэтилена в полипропилене, могут влиять на физические свойства полимера из-за присутствия гетерогенных фаз и возникающих в результате непрочных взаимодействий. Более того, полимерные загрязняющие примеси могут также увеличивать степень непрозрачности полимера и оказывают влияние на цвет. Поэтому измерение количества полимерных загрязняющих примесей имеет важное значение для определения эффективности способа очистки полимеров.
Полукристаллические полимерные загрязняющие примеси оценивали с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC). Для измерения количества загрязняющих примесей полиэтилена в полипропилене готовили набор из пяти смесей полипропилена/полиэтилена, содержащих 2, 4, 6, 8 и 10 масс. % ПЭВП Formolene® HB5502F (Formosa Plastics Corporation, США) в полипропилене Pro-fax 6331 (LyondellBasell Industries Holdings, B.V.). Около 5-15 мг каждого образца запечатывали в алюминиевом тигле для DSC и анализировали с помощью прибора ТА Instruments, модель Q2000 DSC, с применением описанного ниже метода.
1. Уравновешивание при 30,00°С
2. Линейное изменение температуры со скоростью 20,00°С/мин до 200,00°С
3. Отметка об окончании цикла 0.
4. Линейное изменение температуры со скоростью 20,00°С/мин до 30,00°С
5. Отметка об окончании цикла 1
6. Линейное изменение температуры со скоростью 20,00°С/мин до 200,00°С
7. Отметка об окончании цикла 2
8. Линейное изменение температуры со скоростью 20,00°С/мин до 30,00°С
9. Отметка об окончании цикла 3
10. Линейное изменение температуры со скоростью 5,00°С/мин до 200,00°С
11. Отметка об окончании цикла 4
Энтальпию плавления для пика ПЭВП при температуре около 128°С рассчитывали для каждого образца с известным содержанием ПЭВП по термограмме DSC 5,00°С/мин. Линейную калибровочную кривую, приведенную на ФИГ. 2, строили, нанося на график показатели энтальпии плавления в зависимости от известной концентрации ПЭВП (масс. %).
Образцы с неизвестным содержанием ПЭ анализировали с использованием упомянутого выше оборудования и метода DSC. Содержание ПЭ рассчитывали с помощью упомянутой выше калибровочной кривой. ПЭВП определенной марки, использованный для построения калибровочной кривой, с наибольшей вероятностью будет иметь другую степень кристалличности по сравнению с полиэтиленовыми загрязняющими примесями (или смесями полиэтилена), которые могут присутствовать в образце регенерированного полипропилена. Степень кристалличности может независимым образом влиять на измеряемую энтальпию плавления полиэтилена и, таким образом, влиять на итоговые расчеты содержания полиэтилена. Тем не менее описанный в настоящем документе метод испытаний ДСК призван служить в качестве относительной меры для сравнения эффективности различных способов очистки полимеров и не предназначается для точного количественного определения содержания полиэтилена в полимерной смеси. Несмотря на то что в приведенном выше методе описывается измерение загрязняющих примесей полиэтилена в полипропилене, такой метод может применяться для измерения других полукристаллических полимеров с использованием других диапазонов температур и пиков в термограмме DSC. Кроме того, для измерения количества полукристаллических и аморфных полимерных загрязняющих примесей в образце могут также использоваться альтернативные методы, например ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
ПРИМЕРЫ
В приведенных ниже примерах дополнительно описываются и демонстрируются варианты осуществления, которые входят в объем настоящего изобретения. Эти примеры приведены исключительно с целью иллюстрации, и их не следует истолковывать как ограничения настоящего изобретения, поскольку в пределах сущности и объема изобретения возможны его многочисленные варианты.
Пример 1
Образец переработанной полипропиленовой крошки смешанных цветов после бытового использования получали от поставщика переработанных смол. Регенерированный полипропилен после бытового использования поступал из США и Канады. Крошку смешанных цветов в полученном виде гомогенизировали посредством экструзии с помощью двухшнекового экструдера Century/W&P ZSK30 с двумя шнеками общего назначения размером 30 мм, каждый со стандартными элементами смешения и подачи. Скорость вращения шнеков составляла около 50 об/мин, производительность подающего механизма составляла около 20 фунтов/час (9,07 кг/час), а температура цилиндра находилась в диапазоне от около 210°С у головки до около 150°С у питающего отверстия. Серую жилу, выходящую из экструдера, охлаждали в водяной бане при комнатной температуре, сушили воздухом и разрезали на гранулы.
Образцы анализировали с помощью раскрытых в настоящем документе методов испытаний, и полученные данные сведены в таблице 1. Цель настоящего примера состоит в том, чтобы продемонстрировать свойства репрезентативной переработанной смолы после бытового использования до очистки.
Гранулы и соответствующие квадратные образцы для испытания имели темно-серую окраску, как следует из значений L*a*b* для квадратных образцов для испытаний. Степень непрозрачности образцов в среднем составляла около 100% непрозрачности (то есть отсутствие светопроницаемости). Фотография квадратного образца для испытаний приводится на ФИГ. 4 в качестве примера 1. Как показано на ФИГ. 4, образец имел темный цвет и был светонепроницаемым.
Настоящий пример служит в качестве репрезентативного исходного уровня загрязняющих примесей тяжелых металлов, обнаруживаемых в регенерированном полипропилене, поступающем после бытового использования. При сопоставлении с другими образцами загрязняющие примеси тяжелых металлов оказались гораздо выше в полученном регенерированном полипропилене после бытового использования.
Значения зольности в образцах из примера 1 в среднем составляли около 1,2117 масс. %, что также служило показателем исходного уровня для количества негорючих веществ, которые часто присутствуют в регенерированном полипропилене после бытового использования.
Настоящий пример также служит в качестве репрезентативного исходного уровня загрязняющих примесей веществами, обладающими запахом, обнаруживаемыми в регенерированном полипропилене, поступающем после бытового использования. Было обнаружено, что образцы из примера 1 отличаются интенсивностью запаха 3,75 по 5-балльной шкале (5 соответствует наибольшей интенсивности), и по описаниям они имели «помойный», «пыльный» или «кислый» запах.
Настоящий пример также служит в качестве репрезентативного исходного уровня загрязняющих примесей полиэтилена, обнаруживаемых в регенерированном полипропилене, поступающем после бытового использования. Содержание полиэтилена в образцах из примера 1 составляло в среднем около 5,5 масс. %.
Пример 2
Образец переработанной полипропиленовой крошки смешанных цветов после бытового использования, описанный в Примере 1, обрабатывали с помощью экспериментальной установки, показанной на ФИГ. 3А и ФИГ. 3В, в соответствии с описанной ниже процедурой:
1. 286 г крошки смешанных цветов загружали в аппарат Parr Instrument Company Model 4552M с 7,57-литровым автоклавом, оснащенным верхней механической мешалкой.
2. Затем автоклав полностью заполняли н-бутаном и доводили до достижения внутренней температуры жидкости 140°С и давления текучей среды 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
3. Материал в автоклаве затем экстрагировали с использованием экспериментальной конфигурации, показанной на ФИГ. 3А и следующей процедуры:
a. Содержание системы перемешивали в течение 10 мин при 140°С и 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
b. После перемешивания системе давали отстояться в течение 10 мин при 140°С и 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
c. Один объем сосуда н-бутана был промыт в автоклаве в колбу для сбора образцов при 140°С и 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
d. Описанную выше процедуру экстракции повторяли еще четыре раза.
e. Материал, собранный для всех циклов экстракции, обозначали как «фракция 1».
4. Материал, оставшийся в автоклаве после экстракции, затем растворяли в н-бутане с использованием экспериментальной конфигурации, показанной на ФИГ. 3В с последующим выполнением процедуры:
a. Давление системы уравновешивали до 1800 фунт/кв.дюйм (12,41 МПа).
b. Содержание системы перемешивали в течение 10 мин при 140°С и 1800 фунт/кв.дюйм (12,41 МПа).
c. Затем перемешивание останавливали и отстаивали раствор в течение 30 мин при 140°С и 1800 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
d. После стадии отстаивания раствор удаляли из автоклава путем вытеснения азотом под давлением (предварительно уравновешенным до 140°С и 1800 фунт/кв.дюйм). Раствор, выходящий из автоклава через погружную трубку, затем пропускали через две колонны с твердой средой, прошедшие термическую обработку. Каждый столбец имел внутренний диаметр 0,68 дюйма (1,73 см) и длину около 9,5 дюйма (24,13 см). Первый столбец содержал около 21 г фуллеровой земли в 8-16 меш (Jaxon Filtration, JF 752-8/16, США), которая была предварительно смешана в стакане с около 21 г фуллеровой земли в 30-60 меш (Jaxon Filtration, JF 752-3060, США). Вторая колонна содержала около 21 г силикагеля (Silicycle Ultra Pure Silica Gels, SiliaFlash GE60, Parc-Technologies, США), который был предварительно смешан в стакане с около 21 г оксида алюминия (активированный оксид алюминия, Selexsorb CDX, 7×14, BASF, США). В потоке жидкости, выходящем из нижней части второго аппарата высокого давления, производили сброс давления с подачей через расширительный клапан в колбу Эрленмейера с боковым отводом. После сброса давления жидкого потока в колбу Эрленмейера пары растворителя отводились через боковой отвод, а все жидкости/твердые компоненты собирались в колбе. Каждая фракция содержала около 30 г материала и последовательно помечалась, начиная с «фракции 2». Фракции собирали до тех пор, пока уже не наблюдалось выделения материала в колбу.
5. После того как все образцы были собраны, автоклав уравновешивали до атмосферного давления и комнатной температуры. Весь остаточный материал в автоклаве затем собирали в качестве остаточного образца.
Данные для образца фракции 3, собранного в соответствии с процедурой, раскрытой в настоящем документе, приведены в таблице 1.
Твердые частицы, выделенные во фракции 3 в данном примере, имели белый цвет. После того как белые твердые частицы из фракции 3 проходили компрессионное формование, чтобы получить квадратные образцы для испытаний, эти образцы были бесцветными и прозрачными и по внешнему виду были похожи на исходный полипропилен. Фотография квадратного образца для испытаний, полученного из фракции 3, приводится на ФИГ. 4 в качестве примера 2. В качестве эталона, исходный полипропилен показан на Фиг. 4 в качестве примера 4. Как показано на ФИГ. 4, образец был прозрачным и сопоставимым по цвету и светопроницаемости с исходным полипропиленом. Значения L*a*b* показывают, что квадратные образцы для испытаний были по существу бесцветными и демонстрировали значительное улучшение по цветовым характеристикам по сравнению с квадратными образцами для испытаний из примера 1 (то есть полипропилена в том виде, в котором он был получен после бытового использования). Значения L* для квадратных образцов для испытаний из фракции 3 по примеру 2 в среднем составляли 80,44, что было значительно лучше по сравнению со значениями L* квадратных образцов для испытаний из примера 1, которые в среднем составляли 39,76. Степень непрозрачности квадратных образцов для испытаний из фракции 3 по примеру 2 в среднем составляла 10,30% непрозрачности (то есть светопроницаемость приблизительно равна 90%), что было также намного лучше по сравнению со степенью непрозрачности квадратных образцов для испытаний из примера 1, которая в среднем составляла около 100% непрозрачности.
Концентрация загрязняющих примесей тяжелых металлов в образцах из фракции 3 примера 2 была также гораздо более благоприятной по сравнению с образцами из примера 1. Например, концентрация натрия в образцах из фракции 3 примера 2 в среднем составляла только 4100 ч/млрд, тогда как концентрация натрия в образцах из примера 1 в среднем составляла 136000 ч/млрд (снижение на около 97%). Концентрации всех других измеренных элементов во всех случаях снижались на 77-100% для образцов из фракции 3 примера 2 по сравнению с образцами из примера 1.
Значения зольности в образцах из фракции 3 примера 2 в среднем составляли около 0,3874% масс., что было значительно меньше значений зольности для образцов из примера 1, которые в среднем составляли около 1,2117% масс.
Было обнаружено, что образцы из фракции 3 примера 2 отличаются интенсивностью запаха 0,5 балла по 5-балльной шкале (5 соответствует наибольшей интенсивности), что было значительно лучше по сравнению с интенсивностью запаха образцов из примера 1, где отмечалась интенсивность запаха 3,75 балла. Несмотря на низкую интенсивность запаха, образцы из фракции 2 примера 2 описывались как имеющие «пластмассовый» запах, подобно исходному полипропилену.
Содержание полиэтилена в образцах из фракции 3 примера 2 в среднем составляло около 1,1% масс., что было лучше по сравнению с содержанием полиэтилена в образцах из примера 1, которое в среднем составляло около 5,5% масс.
Пример 3
Образец переработанной полипропиленовой крошки смешанных цветов после бытового использования, описанный в Примере 1, обрабатывали с помощью экспериментальной установки, показанной на ФИГ. 3А и ФИГ. 3В, в соответствии с описанной ниже процедурой:
6. 173 г крошки смешанных цветов загружали в аппарат Parr Instrument Company Model 4552 M с 7,57-литровым автоклавом, оснащенным верхней механической мешалкой.
7. Затем автоклав полностью заполняли н-бутаном и доводили до достижения внутренней температуры жидкости 140°С и давления текучей среды 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
8. Материал в автоклаве затем экстрагировали с использованием экспериментальной конфигурации, показанной на ФИГ. 3А и следующей процедуры:
f. Содержание системы перемешивали в течение 10 мин при 140°С и 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
g. После перемешивания системе давали отстояться в течение 10 мин при 140°С и 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
h. Один объем сосуда н-бутана был промыт в автоклаве в колбу для сбора образцов при 140°С и 900 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
i. Описанную выше процедуру экстракции повторяли еще четыре раза.
j. Образцы, собранные для каждого цикла экстракции, последовательно помечали как «фракция 1»-«фракция 5».
9. Материал, оставшийся в автоклаве после экстракции, затем растворяли в н-бутане с использованием экспериментальной конфигурации, показанной на ФИГ. 3В с последующим выполнением процедуры:
e. Давление системы уравновешивали до 1800 фунт/кв.дюйм (12,41 МПа).
f. Содержание системы перемешивали в течение 10 мин при 140°С и 1800 фунт/кв.дюйм (12,41 МПа).
g. Затем перемешивание останавливали и отстаивали раствор в течение 60 мин при 140°С и 1800 фунт/кв.дюйм (6,21 МПа).
h. После стадии отстаивания раствор удаляли из автоклава путем вытеснения н-бутаном под давлением (предварительно уравновешенным до 140°С и 1800 фунт/кв.дюйм). Раствор, выходящий из автоклава через погружную трубку, затем пропускали через две колонны с твердой средой, прошедшие термическую обработку. Каждый столбец имел внутренний диаметр 0,68 дюйма (1,73 см) и длину около 9,5 дюйма (24,13 см). В данном примере обе колонны были пустыми и не содержали никаких твердых носителей. В потоке жидкости, выходящем из нижней части второго аппарата высокого давления, производили сброс давления с подачей через расширительный клапан в колбу Эрленмейера с боковым отводом. После сброса давления жидкого потока в колбу Эрленмейера пары растворителя отводились через боковой отвод, а все жидкости/твердые компоненты собирались в колбе. Каждая фракция содержала около 30 г материала и последовательно помечалась, начиная с «фракция 6». Фракции собирали до тех пор, пока уже не наблюдалось выделения материала в колбу.
10. После того как все образцы были собраны, автоклав уравновешивали до атмосферного давления и комнатной температуры. Весь остаточный материал в автоклаве затем собирали в качестве остаточного образца.
Данные для образца фракции 6, собранного в соответствии с процедурой, раскрытой в настоящем документе, приведены в таблице 1.
Твердые частицы, выделенные во фракциях 6 в данном примере, имели цвет от почти белого до желтого. После того как твердые частицы от почти белого до желтого цвета из фракции 6 проходили компрессионное формование, чтобы получить квадратные образцы для испытаний, данные образцы по внешнему виду имели желтый цвет. Фотография квадратного образца для испытаний приводится на ФИГ. 4 в качестве примера 3. Как показано на Фиг. 4, цвет и прозрачность образцов из примера 3 были улучшены по сравнению с образцами из примера 1, но не сопоставимы с исходным полипропиленом, показанным на Фиг. 4 в качестве примера 4. Даже без стадии контакта с твердым носителем значения L*a*b* демонстрируют, что квадратные образцы для испытаний из фракции 6 примера 3 отличались несколько улучшенными цветовыми характеристиками по сравнению с образцами из примера 1 (то есть, полипропилена в том виде, в котором он был получен после бытового использования). Значения L* для квадратных образцов для испытаний из фракции 6 примера 3 в среднем составляли 72,41, что было значительно лучше по сравнению со значениями L* квадратных образцов для испытаний из примера 1, которые в среднем составляли 39,76. Степень непрозрачности для квадратных образцов для испытаний из фракции 6 примера 3 в среднем составляла 35,25% непрозрачности, что было лучше по сравнению со степенью непрозрачности квадратных образцов для испытаний из примера 1, которая в среднем составляла около 100% непрозрачности.
Концентрация загрязняющих примесей тяжелых металлов в образцах из фракции 6 примера 3 была также гораздо благоприятной по сравнению с образцами из примера 1. Например, концентрация натрия в образцах из фракции 6 примера 3 в среднем составляла только 16400 ч/млрд, тогда как концентрация натрия в образцах из примера 1 в среднем составляла 136000 ч/млрд (снижение на около 88%). Концентрации всех других измеренных элементов во всех случаях снижались на 82-100% для образцов из фракции 6 примера 3 по сравнению с образцами из примера 1.
Значения зольности в образцах из фракции 6 примера 3 в среднем составляли около 0,2292% масс, что было значительно меньше значений зольности для образцов из примера 1, которые в среднем составляли около 1,2117% масс.
Было обнаружено, что образцы из фракции 6 по примеру 3 отличаются интенсивностью запаха 0,5 балла по 5-балльной шкале (5 соответствует наибольшей интенсивности), что было значительно лучше по сравнению с интенсивностью запаха образцов из примера 1, где отмечалась интенсивность запаха 3,75 балла. Несмотря на низкую интенсивность запаха, образцы из фракции 6 примера 3 описывались как имеющие «пластмассовый» запах, подобно исходному полипропилену.
Содержание полиэтилена в образцах из фракции 6 примера 3 в среднем составляло около 1,0% масс., что было намного лучше по сравнению с содержанием полиэтилена в образцах из примера 1, которое в среднем составляло около 5,5% масс.
Пример 4 - Сравнительные образцы исходного полипропилена
Для всех сравнительных образцов «исходного ПП» использовали полипропилен Pro-fax 6331 (LyondellBasell Industries Holdings, B.V.). Гранулы исходного ПП трансформировали в квадратные образцы для испытаний в соответствии со способом, описанным в настоящем документе. Значения L*a*b * для образцов, изготовленных из исходного ПП, в среднем составляли 85,13±0,18, -0,71±0,01 и 2,27±0,02 соответственно. Средняя степень непрозрачности квадратных образцов для испытаний составляла 7,56±0,21% непрозрачности. Данный пример служит сравнением количества загрязняющих примесей тяжелых металлов в репрезентативном образце исходного полипропилена. Образцы исходного полипропилена имели значения зольности, которые в среднем составляли около 0,3031% масс. Гранулы исходного ПП имели интенсивность запаха 0,5 балла по 5-балльной шкале (5 соответствует наибольшей интенсивности) и по описаниям обладали запахом, подобным «пластмассовому». В образце исходного пропилена полиэтилена обнаружено не было.
Каждый документ, указанный в настоящем описании, включая перекрестные ссылки или родственный патент или патентную заявку, включен в настоящий документ в полном объеме путем ссылки, если только не исключен в явной форме или не ограничен иным образом. Упоминание любого документа не является признанием того, что он представляет собой предшествующий уровень техники в отношении любого описанного или заявленного в настоящем документе изобретения или что он сам по себе или в любой комбинации с любой другой ссылкой или ссылками представляет, предлагает или описывает любое такое изобретение. Кроме того, если какое-либо значение или определение термина в этом документе противоречит какому-либо значению или определению этого же термина в документе, включенном в настоящий документ путем ссылки, преимущество имеет значение или определение, закрепленное за этим термином в настоящем документе.
Хотя в настоящем документе показаны и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области будет понятно, что допустимы и другие различные изменения и модификации без отступления от сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все эти изменения и модификации в пределах объема настоящего изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ОЧИСТКИ РЕГЕНЕРИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОВ | 2017 |
|
RU2719851C1 |
| Способ очистки регенерированного полиэтилена | 2019 |
|
RU2765954C1 |
| СПОСОБ ОЧИСТКИ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА | 2017 |
|
RU2721005C1 |
| Способ очистки загрязненных полимеров | 2016 |
|
RU2687975C1 |
| Способ очистки загрязненных полимеров | 2016 |
|
RU2673886C1 |
| Способ очистки загрязненных полимеров | 2016 |
|
RU2687936C1 |
| Способ очистки загрязненного полипропилена | 2016 |
|
RU2687943C1 |
| Способ очистки загрязненного полиэтилена | 2016 |
|
RU2691330C1 |
| СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ ОТ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ПРОДУКТА И ИХ ОЧИСТКИ | 2017 |
|
RU2723639C1 |
| МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ, ОБЛАДАЮЩИЙ ФИЛЬТРУЮЩИМИ И АДСОРБИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ, И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СПОСОБАХ ОЧИСТКИ ТЕКУЧИХ ПОТОКОВ | 2012 |
|
RU2593769C2 |
Изобретение относится к способу очистки загрязненных полимеров с использованием растворителя под давлением и твердых сред. Способ очистки регенерированного полипропилена включает получение регенерированного полипропилена и приведение его в контакт с жидким растворителем при повышенной температуре и давлении с получением экстрагированного регенерированного полипропилена. Экстрагированный регенерированный полипропилен растворяют в растворителе при повышенной температуре и давлении с получением раствора, содержащего полипропилен и взвешенные загрязняющие примеси. После отстаивания раствор очищают при повышенной температуре и давлении посредством приведения в контакт с твердой средой, с получением раствора, содержащего более чистый полипропилен. Затем более чистый полипропилен отделяют от раствора. Обеспечивается получение очищенного полипропилена, по существу, не имеющего цвета и запаха. 14 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл., 4 пр.
1. Способ очистки регенерированного полипропилена, включающий:
a) получение регенерированного полипропилена, причем упомянутый полипропилен выбирают из группы, состоящей из полимеров после бытового использования, полимеров после промышленного использования и их комбинаций;
b) приведение в контакт регенерированного полипропилена при температуре от 80°С до 220°С и при давлении от 150 фунтов на кв. дюйм (1,03 МПа) до 15000 фунтов на кв. дюйм (103,42 МПа) с первым жидким растворителем со стандартной температурой кипения менее чем 70°С, с получением экстрагированного регенерированного полипропилена;
c) растворение экстрагированного регенерированного полипропилена в растворителе, выбранном из группы, состоящей из первого жидкого растворителя, второго жидкого растворителя и их смесей, при температуре от 90°С до 220°С и давлении от 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до 20000 фунтов на кв. дюйм (137,90 МПа), с получением первого раствора, содержащего полипропилен и взвешенные загрязняющие примеси;
d) отстаивание указанного первого раствора, содержащего полипропилен и суспендированные загрязняющие примеси, при температуре от 90°С до 220°С и под давлением от 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до 20000 фунтов на кв. дюйм (137,90 МПа) с получением второго раствора, содержащего полипропилен и оставшиеся загрязняющие примеси;
e) очистку указанного второго раствора при температуре от 90°С до 220°С и при давлении от 350 фунтов на кв. дюйм (2,41 МПа) до 20000 фунтов на кв. дюйм (137,90 МПа) посредством приведения в контакт указанного второго раствора с твердой средой, с получением третьего раствора, содержащего более чистый полипропилен; и
f) отделение указанного более чистого полипропилена от указанного третьего раствора;
при этом упомянутый второй жидкий растворитель имеет тот же химический состав, что и первый жидкий растворитель, или другой химический состав.
2. Способ по п. 1, в котором указанный полипропилен отделяют от указанного третьего раствора при температуре от 0°С до 220°С и давлении от 0 фунтов/кв. дюйм изб. (0 МПа) до 2000 фунтов/кв. дюйм изб. (13,79 МПа).
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 0,5%.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 2%.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации по меньшей мере 5%.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидкого растворителя при массовой процентной концентрации до 20%.
7. Способ по п. 1, в котором указанный регенерированный полипропилен растворяют в жидком растворителе или в смеси жидких растворителей при массовой процентной концентрации до 12%.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регенерированный полипропилен представляет собой полипропилен, полученный в результате регенерации после бытового использования.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный регенерированный полипропилен представляет собой гомополимер полипропилена или сополимер полипропилена, содержащий более 70 моль% повторяющихся звеньев пропилена.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный жидкий растворитель имеет стандартную температуру кипения менее чем 0°С и более чем -45°С и стандартное изменение энтальпии при испарении менее чем +25 кДж/моль.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный жидкий растворитель выбран из группы, состоящей из олефиновых углеводородов, алифатических углеводородов и их смесей.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что указанный алифатический углеводород выбран из группы, состоящей из алифатических углеводородов C1-C6 и их смесей.
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что упомянутый жидкий растворитель представляет собой н-бутан, изомеры бутана или их смеси.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанная температура на стадиях контакта, растворения, осаждения и очистки составляет от 110°С до 170°С.
15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное давление на стадии приведения в контакт составляет от 1100 фунтов/кв. дюйм изб. (7,58 МПа) до 2100 фунтов/кв. дюйм изб. (14,48 МПа).
| Топчак-трактор для канатной вспашки | 1923 |
|
SU2002A1 |
| Способ изготовления жгутов проводов | 1979 |
|
SU849312A1 |
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ МЕЛКОНАРЕЗАННЫХ ОТХОДОВ ПЛЕНКИ С ПОКРЫТИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1996 |
|
RU2172245C2 |
