PBAT 全名為聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯,即英文 Poly (butyleneadipate-co-terephthalate)的簡寫,即其化學結構式為:
從其化學結構式可知:PBAT 是己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物。兼具 PBA(聚己二酸丁二醇酯)和 PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)的特性,既有較好的力學性能,又有較高的延展性和斷裂伸長率,還具有優良的生物降解性,是一種全生物可降解塑料。
生物可降解塑料是在土壤、沙土等自然條件下,與微生物淵(如細菌/黴菌/藻類等)作用降解成二氧化碳、水等小分子或低分子化合物的塑料。
降解塑料主要分為光降解塑料、生物降解塑料堯、光生物降解塑料。光降解塑料需要充足的光照才能降解,給生產帶來了很大局限性,所以光降解塑料的推廣並不好。
生物降解塑料品種已經有幾十種,可批量生產和工業化生產的品種主要有:微生物發酵合成的聚羥基脂肪酸酯,化學合成的聚乳酸(PLA)、聚己內酯、二元醇二羧酸脂肪族聚酯(PBS)、脂肪族/芳香族共聚酯、CO2/環氧化合物共聚物 (APC)、聚乙烯醇(PVA)等、天然高分子澱粉基塑料及其生物降解塑料共混物、塑料合金等。
以己二酸 (AA)、對苯二甲酸 (PTA)、丁二醇(BDO)為單體,按照一定比例合成聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯,工藝過程中重點在於嚴格控制反應的酯化方式、酯化時間、縮聚溫度、穩定劑等。
這些關鍵因素能夠直接影響合成過程,最終影響產品的性能。為確保製備出良好的 PBAT 樹脂,所需的最佳工藝條件為:共酯化反應方式,酯化時間為 185min,縮聚溫度 248~250℃。
PBAT 的製備有三種酯化方式:共酯化、分酯化和串聯酯化。製備流程圖及主要工藝參數如下圖 1、圖 2、圖 3 所示。
(1)為了減少 BDO 的副反應發生,減少 THF的生成,降低原料消耗,整個酯化反應在真空條件下進行,降低了酯化反應溫度;同時也降低了能耗。
(2)由於原料的活性較低問題,採用了高性能催化劑;由於此催化劑的易水解失活的特性,由原來傳統催化劑液面以上的加入方式,改為液面下加入,解決了以上問題。
(3)在縮聚過程中,生成的低聚物易隨真空氣相管道帶人到噴淋系統中,造成系統堵塞。為此,在氣相管道上設置旋風分離收集系統,將生成的低聚物通過旋風分離器收集捕捉,其尾氣進入BDO 噴淋循環系統。
(4)酯化反應過程中,雖然可以降低副反應發生的程度,但在酯化反應中還是不可避免的有THF 和水。由於 THF 屬於低毒性,但是其高濃度易對人體危害很大,如果直接排放至汙水處理,將會對汙水處理系統內的細菌產生危害。
為解決這一問題,設置了 THF 回收裝置。將 THF 與水進行分離處理,經過回收裝置處理後,其 THF 的質量分數可達到 99.95%以上,可用於直接銷售。廢水中 THF 的質量分數控制在 0.05%左右,將廢水送至汽提塔進行汽提,提取出其中的 THF 及其他有機物,通過管道送至燃氣鍋爐燃燒。
(5)由於 PBAT 玻璃化溫度較低,如採用傳統水下拉條切粒,易造成黏結、纏刀,導致生產不穩。為此,採用水下模頭切粒的方式,通過水下輸送管道的長短和切粒水的溫度來控制切片粒子的成型和結晶程度;同時由於 PBAT 易降解的特性,生產的切片粒子輸送至乾燥塔進行乾燥,然後衝氮氣進行保護和包裝。
(6)針對 PBAT 的特性,分子鏈增長難、黏度高、流動性差等特點,惠通公司採用惠通獨家專利技術的立式液相增黏釜,可使物料的動力黏度由目前 350 Pa·S 增加到 1000 Pa·S 以上、分子鏈隨之增長,同時由於黏度很高,需採用螺杆出料的方式來保證生產的穩定性。
(7)由於在生產 PBAT 過程中,有 THF 蒸汽產生,為此在縮聚裝置內局部地區設置了軸流風機加強裝置通風能力,同時還設置可燃有害氣體檢測和報警裝置,現場設計個人防護面具和呼吸器等安全裝備;THF 回收裝置採取全敞開式混凝土框架結構,使有害氣體不易積聚。
PBAT 作為性能良好的環保材料,可以降低石油資源消耗,緩解「白色汙染」,對我國可持續發展具有重要意義。
目前全球 PBAT 市場需求旺盛,由於 PBAT 價格較高,而我國具備良好的原料生產條件。PBAT 產品主要用於出口,行業集中度高,潛在市場大,產業化前景好。
國內對 PBAT 材料進行研究的有中科院理化技術研究所、中科院化學研究所、藍山屯河公司、清華大學、江南大學等。其中金髮科技每年產能為 6 萬噸、金暉兆隆每年產能為 2.5 萬噸、億帆鑫富每年產能為 1.2 萬噸、藍山屯河每年產能為 13萬噸。