离子液体溶解回收尼龙6的理论与实验研究

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随着尼龙工业的快速发展,尼龙广泛应用于人们的生产生活中。由于尼龙化学性质稳定,自然条件下难以自行降解,大量的废旧尼龙制品造成了严重的环境问题。传统的处理方法都会直接或间接地带来二次污染问题,因此,针对更为有效、环保的尼龙回收技术的研究有着必要意义。尼龙6是尼龙工业中重要的产品之一,其生产量和消费量都在尼龙工业中占第一位。本论文选取其为研究对象,使用绿色的离子液体为溶剂进行溶解回收的实验和理论研究。首先,采用量子化学计算中的密度泛函方法,通过B3LYP/6-31+G*理论水平系统研究了尼龙6片段之间、尼龙6片段与1-乙基-3-甲基咪唑溴化盐([Emim]Br)、[Emim]Br与水、尼龙6片段与[Emim]Br及水四个体系的分子间的结合能。并在同一理论水平下运用分子原子拓扑理论详细地分析了体系中分子间氢键的相互作用。通过研究发现,尼龙6片段-[Emim]Br的结合能能量大于尼龙6片段间的结合能能量,而[Emim]Br-水的结合能能量又大于尼龙6片段-[Emim]Br的结合能能量,且水分子个数越多,[Emim]Br-水的结合能能量越大;在尼龙6片段-[Emim]Br体系中加入水分子后,尼龙6片段-[Emim]Br的结合能能量减小,说明尼龙6-[Emim]Br的稳定结构容易被水分子破坏。针对氢键的分析,发现尼龙6片段间主要以N H···O=C氢键为主;尼龙6片段-[Emim]Br体系中以C2H···O氢键为主,羰基键长伸长,振动频率减小,发生了红移现象,且尼龙6片段-[Emim]Br的结合能越大,红移的相对距离也越大;由于水分子的介入,C2H···O氢键受到削弱甚至完全被破坏,羰基的振动频率增大,发生了蓝移现象。另外,还对尼龙6片段-[Emim]Br体系进行热力学研究,发现尼龙6片段在[Emim]Br中的溶解过程是可能发生的。其次,运用实验研究的方法对尼龙6在[Emim]Br中的溶解过程进行了探讨。采用红外、热重、差热分析、X-射线衍射及扫描电镜等方法对再生尼龙6进行结构、性能及形貌的表征。另外,还考察了物料配比、反应温度、反应时间等因素对尼龙6溶解回收率的影响。从而找到最佳反应条件:在尼龙6与[Emim]Br的质量比为6.25%时,175℃下反应时间1.5h,得到尼龙6最优的溶解回收率为95.18%。最后,同样运用实验的方法,研究了不同离子液体对尼龙6溶解。实验发现:在140℃相同条件下,[Emim]Br和N-甲基-2-吡咯烷酮甲烷磺酸盐([NMP]CH3SO3)不能溶解尼龙6,而1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim]Ac)、1-磺酸丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([C4mimSO3H]HSO4)、N-甲基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐([NMP]HSO4)则能够溶解尼龙6,尼龙6的溶解回收率由大到小依次为:[Emim]Ac>[NMP]HSO4>[C4mimSO3H]HSO4,而再生尼龙6的热稳定性由高到低依次为:[Emim]Ac>[NMP]HSO4>[C4mimSO3H]HSO4
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