Research progress in supercritical fluid application in plastic processing

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.017

Abstract

Abstract:

This paper introduced the principle and characteristics of the supercritical fluid （SCF） technology and its application progress in plastic processing. The applications of SCF in plastic microfoaming， plastic degradation， plastic modification， anhydrous dyeing， auxiliary atomization， extraction， and green plasticizing were discussed in detail. Based on the current research progress， the SCF technology can be used to resolve many problems that can hardly be overcome using the traditional technology in plastic processing. Therefore， the SCF technology exhibits a broad application prospect in the new plastic processing field. Through the utilization of the SCF technology for plastic processing， a new approach can be acquired for the green and high⁃performance development of plastic processing.

Key words: supercritical fluid, plastic processing, micro foaming, degradation, plasticizing

CLC Number:

TQ316

LI Wanlong, YANG Weimin, LAN Tianjie, LI Haoyi, DING Yumei, QIU Yonghong. Research progress in supercritical fluid application in plastic processing[J]. China Plastics, 2022, 36(11): 112-117.

Figures/Tables 2

References 46

1	Vinay Gangaraju， Tathagata Sardar， Roy Kunal， et al. One⁃pot super critical fluid synthesis of spinel MnFe₂O₄ nanoparticles and its application as anode material for Mg⁃ion battery［J］. Asian Journal of Chemistry， 2022， 34（4）： 989⁃994.
2	Park Heejun， Kim Jeong Soo， Kim Sebin， et al. Pharmaceutical applications of supercritical fluid extraction of emulsions for micro⁃/nanoparticle formation［J］. Pharmaceutics， 2021， 13（11）： 1928.
3	张少敏，金薇，张晨晗，等. 超临界流体色谱法拆分阿托伐他汀钙及其对映异构体杂质［J］. 中国药学杂志， 2018， 53（21）： 1 856⁃1 860.
	ZHANG S M， JIN W， ZHANG C H，et al. Chiral separation of atorvastatin calcium and its enantiomeric impurity by supercritical fluid chromatography［J］. Chinese Pharmaceutical Journal， 2018， 53（21）： 1 856⁃1 860.
4	Vorobei A M， Parenago O O. Using supercritical fluid technologies to prepare micro⁃ and nanoparticles［J］. Russian Journal of Physical Chemistry A， 2021， 95（3）： 407⁃417.
5	Muchahary Sangita，Deka Sankar Chandra. Impact of supercritical fluid extraction， ultrasound‐assisted extraction， and conventional method on the phytochemicals and antioxidant activity of bhimkol （Musa balbisiana） banana blossom［J］. Journal of Food Processing and Preservation， 2021， 45（7）： 15639.
6	黄沅玮. 超临界流体萃取技术及其在植物油脂提取中的应用［J］. 食品工程， 2020， 3： 12⁃15，61.
	HUANG Y W.Supercritical fluid extraction technology and its application in the extraction of vegetable oil［J］. Food Engineering， 2020， 3： 12⁃15，61.
7	Miyazawa Taiki， Higuchi Ohki， Sasaki Masato， et al. Removal of chlorophyll and pheophorbide from Chlorella pyrenoidosa by supercritical fluid extraction： potential of protein resource［J］. Bioscience， Biotechnology， and Biochemistry， 2021， 85（7）： 1 759⁃1 762.
8	彭锦星. 基于醇类介质的生物质超临界液化转化燃油技术研究［D］.杭州：浙江林学院， 2008.
9	Chiara Brogna， Andrea Pucciarelli， Walter Ambrosini， et al. Capabilities of high y + wall approaches in predicting heat transfer to supercritical fluids in rod bundle geometries ［J］. Annals of Nuclear Energy， 2018， 120（10）： 272⁃278.
10	候光武，丁信伟，陈彦泽，等. 超临界二氧化碳传热特性的研究［J］. 化工装备技术， 2006， 27（1）： 25⁃30.
11	刘洋，郜宇琦，丁治英，等. 超临界CO₂大展身手的时代［J］. 大学化学，2022，9： 1⁃5.
	LIU Y， GAO Y Q， DING Z Y，et al. Age of supercritical carbon dioxide［J］. University Chemistry，2022，9： 1⁃5.
12	Wang Xiaoyin， Liu Xiandong， Shan Yingchun， et al. Lightweight design of automotive wheel made of long glass fiber reinforced thermoplastic［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science， 2016， 230（10）： 1 634⁃1 643.
13	王惠添，殷莎，陈正伟，等. 微孔发泡注塑技术研究进展［J］. 中国塑料， 2021， 35（10）： 154⁃165.
	WANG H T， YIN S， CHEN W Z，et al. Research progress in microcellular foam injection molding technology［J］. China Plastics， 2021， 35（10）： 154⁃165.
14	代康. 通信线缆发泡技术的研究开发（上）［J］. 现代传输， 2016，5： 67⁃77.
	DAI K. Research & developments in the foaming technolo⁃gies for telecommunication cables（I）［J］. Modern Transmission， 2016，5： 67⁃77.
15	代康. 通信线缆发泡技术的研究开发（下）［J］. 现代传输， 2016，6： 65⁃72.
	DAI K. Research & developments in the foaming technologies for telecommunication cables（II）［J］. Modern Transmission， 2016，6： 65⁃72.
16	Van Tran Thu， Usta Aybala， Asmatulu Ramazan. Functionalized hexagonal boron nitride nano⁃coatings for protection of transparent plastics［J］. Proceedings of Spie.The International Society For Optical Engineering， 2016， 9 799： 97993.
17	Gaur Vivek K， Gupta Shivangi， Sharma Poonam， et al. Metabolic cascade for remediation of plastic waste： a case study on microplastic degradation［J］. Current Pollution Reports， 2022， 8（1）： 1⁃21.
18	Lin Zhenyan， Jin Tuo， Zou Tao， et al. Current progress on plastic/microplastic degradation： Fact influences and mechanism［J］. Environmental Pollution， 2022， 304： 119159.
19	潘志彦，胡自伟，林春绵，等. 聚苯乙烯在超临界二甲苯中的解聚［J］. 高校化学工程学报， 2002， 16（2）： 227⁃231.
	PAN Z Y， HU Z W， LIN C M，et al. Depolymerization of polystyrene in supercritical xylene［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities， 2002， 16（2）： 227⁃231.
20	徐以国，裘洲通. 微孔发泡注射成型技术研究进展［J］. 模具制造， 2020， 20（10）： 57⁃63.
	XU Y G， QIU T Z. Research progress of microcellular foam injection molding［J］. Die & Mould Manufacture， 2020， 20（10）： 57⁃63.
21	刘涛，罗世凯，王宪忠. 超临界CO₂制备微孔聚碳酸酯及其泡孔特性研究［J］. 塑料科技， 2007， 35（7）： 34⁃38.
	LIU T， LUO S S， WANG X Z. Preparation of microcellular polycarbonate foam processed in supercritical CO₂and its cell characteristics［J］. Plastics Science and Technology， 2007， 35（7）： 34⁃38.
22	张平，周南桥，黄目张，等. 发泡工艺对超临界CO₂/PP微孔发泡泡孔形态的影响［J］. 塑料工业， 2007， 35（1）： 345⁃347.
	ZHANG P， ZHOU N Q， HUANG M Z，et al. Effect of foaming parameter on cell morphology in microcellular foaming of supercritical CO₂/PP［J］. China Plastics Industry， 2007， 35（1）： 345⁃347.
23	Chen Xiaopeng， Feng James J， Bertelo Christopher A. Plasticization effects on bubble growth during polymer foaming ［J］. Polymer Engineering & Science， 2006， 46（1）： 97⁃107.
24	肖千珍. 聚乳酸超临界二氧化碳发泡研究［D］.广州：华南理工大学， 2012.
25	Lee Minhee， Costas Tzoganakis， Park Chul B. Extrusion of PE/PS blends with supercritical carbon dioxide［J］. Polymer Engineering & Science， 1998， 38（7）： 1 112⁃1 120.
26	胡琪卉. 通过超临界二氧化碳发泡技术制备导电聚苯乙烯/石墨烯纳米复合材料微孔泡沫［D］.北京：北京化工大学， 2014.
27	廖若谷. 超临界二氧化碳发泡过程中聚合物泡孔结构的控制［D］.上海：上海交通大学， 2010.
28	吴志昂，郑晓平，龚莉雯，等. 发泡工艺及超临界二氧化碳诱导结晶作用对聚碳酸酯发泡行为的影响［J］. 材料导报， 2020， 34（8）： 8 200⁃8 204.
	WU Z H， ZHENG X P， GONG W L， et al. Effects of foaming process and supercritical carbon dioxide induced crystallization on foaming behavior of polycarbonate ［J］. Materials Reports， 2020， 34（8）： 8 200⁃8 204.
29	徐兴家. CO₂发泡聚氯乙烯过程研究［D］.新疆：新疆大学， 2019.
30	秦升学，孙祥，刘杰，等. 超高分子量聚乙烯超临界CO₂间歇发泡研究［J］. 塑料科技， 2019， 47（10）： 1⁃5.
	QIN S X， XUN X， LIU J，et al. Study on supercritical CO₂ intermittent foaming of UHMWPE ［J］. Plastics Scien⁃ce and Technology， 2019， 47（10）： 1⁃5.
31	Banerjee D， Dutta A， VimalK K， et al. Correlation of micro and macro⁃structural attributes with the foamability of modified polypropylene using supercritical CO₂ ［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2019， 58（27）： 12 054⁃12 065.
32	靳小平，朱玉方，徐卉桐，等. 废弃塑料降解与回收再利用研究进展［J］. 工程塑料应用， 2021， 49（9）： 139⁃144.
	JIN X P， ZHU Y F， XU H T， et al. Research progress on degradation and recycling of waste plastics［J］. Enginee⁃ring Plastics Application， 2021， 49（9）： 139⁃144.
33	Saritha B， Sindgi Sanakausar A， Remadevi O K. Plastic degrading microbes： a review［J］. Microbiology Research Journal International， 2021： 22⁃28.
34	Qi Xinhua， Ma Yuan， Chang Hanchen， et al. Evaluation of PET degradation using artificial microbial consortia［J］. Frontiers in Microbiology， 2021， 12： 778828.
35	Fávaro S L， Freitas A R， Ganzerli T A， et al. PET and aluminum recycling from multilayer food packaging using supercritical ethanol［J］. Journal of Supercritical Fluids， 2013， 75： 138⁃143.
36	曹维良，张敬畅，李勇. 超临界流体技术在PET解聚中的应用［J］. 北京化工大学学报， 1999， 26（4）： 73⁃74.
	CAO W L， ZHANG J C， LI Y. Application of supercritical fluid technique in the degradation of PET waste［J］. Journal of Beijing University of Chemical Technology（Natural Science Edition）， 1999， 26（4）： 73⁃74.
37	陈怀涛，臧春坤. 聚苯乙烯在超临界流体中的降解研究［J］. 石油化工技术与经济， 2009， 25（1）： 33⁃35.
	CHEN H T， ZANG C C. Study on polystyrene degradation in supercritical solvents［J］. Technology & Economi⁃cs in Petrochemicals， 2009， 25（1）： 33⁃35.
38	Douglas Lilac W， Lee Sunggyu. Kinetics and mechanisms of styrene monomer recovery from waste polystyrene by supercritical water partial oxidation［J］. Advances in Environmental Research， 2001， 6（1）： 9⁃16.
39	周晴，黄婕，倪燕慧，等. 聚碳酸酯在超临界乙醇中的降解［J］. 华东理工大学学报：自然科学版， 2006， 32（9）： 1 025⁃1 029.
	ZHOU Q， HUANG J， NI C H， et al. Degradation of polycarbonate in supercritical ethanol［J］. Journal of East China University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2006， 32（9）： 1 025⁃1 029.
40	包贞. 超临界流体解聚聚碳酸酯的研究［D］.杭州：浙江工业大学， 2004.
41	Li Zhengkun， Liu Yuansen， Min Nie， et al. Self⁃assembly behavior of aryl amide nucleating agent under supercritical carbon dioxide and its influence on polypropylene［J］. Polymer⁃Plastics Technology and Engineering， 2017， 56（18）： 1 937⁃1 941.
42	Fu Dajiong， Feng Chen， Kuang Tairong， et al. Supercritical CO₂ foaming of pressure⁃induced⁃flow processed linear polypropylene［J］. Materials & Design， 2016， 93： 509⁃513.
43	齐海群，范大鹏，王巍. 超临界正戊烷在树脂挤出过程中的增塑作用［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2019， 40（3）： 603⁃607.
	QI H Q， FAN D P， WANG W. Plasticizing effect of supercritical n⁃pentane in resin extrusion［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2019， 40（3）： 603⁃607.
44	Alessia Di Capua， Renata Adami， Emanuela Cosenza， et al. β⁃Carotene/PVP microspheres produced by supercritical assisted atomization［J］. Powder Technology， 2019， 346：228⁃236.
45	于立秋，张淑芬，杨锦宗. 合成纤维的超临界二氧化碳染色［J］. 染料与染色， 2006， 43（3）： 20⁃24.
	YU L Q， ZHANG S F， YANG J Z. Research on dyeing synthetic fibers in supercritical carbon dioxide［J］. Dyestuffs and Coloration， 2006， 43（3）： 20⁃24.
46	蒋勇，董擎之，杨玉英. 聚对苯二甲酸丁二酯纤维在超临界二氧化碳介质中的染色研究［J］. 合成纤维工业， 2003， 26（6）： 18⁃20.
	JIANG Y， DONG Q Z， YANG Y Y. Study on dyeing behavior of polybutylene terephthalate fibers in supercritical carbon dioxide medium［J］. China Synthetic Fiber Industry， 2003， 26（6）： 18⁃20.

原料	SCF参数	发泡参数^a	发泡效果	参考文献
PLA	scCO₂	P₁↑	泡体密度先增高后降低	［23⁃24］
		P₁↑	泡孔密度增高，泡体密度先增高后降低
		T₁↑	泡孔平均直径先减小后增大
		T₁↑	泡孔密度先增高后降低，体积膨胀率增大
PS	scCO₂	P₁↑	泡孔密度增高，粒径尺寸分布变窄	［25⁃27］
		P₁↑	泡孔尺寸分布变窄，平均直径减小
		T₂↑	泡孔平均直径增大，泡孔密度降低
PC	scCO₂	P₁↑	泡孔密度增高，泡体密度先增高后降低	［28］
		P₁↑	泡孔平均直径减小，泡孔尺寸分布变窄
		T₁↑	发泡倍率先增大后减小
聚氯乙烯	scCO₂	T₁↑	泡孔密度降低，泡孔孔径增大	［29］
聚氯乙烯	scCO₂	T₂↑	泡孔密度降低，泡孔孔径增大	［29］
PE	scCO₂	T₁↑	平均泡孔直径先减小后增大	［30］
		T₁↑	泡孔密度先增高后降低
		P₁↑	平均泡孔直径先减小后增大
		P₁↑	发泡倍率增大，泡孔密度先增高后降低
聚丙烯（PP）	scCO₂	T₂↑	泡孔比重减小，泡孔孔径增大	［31］

原料	SCF参数	发泡参数^a	发泡效果	参考文献
PLA	scCO₂	P₁↑	泡体密度先增高后降低	［23⁃24］
		P₁↑	泡孔密度增高，泡体密度先增高后降低
		T₁↑	泡孔平均直径先减小后增大
		T₁↑	泡孔密度先增高后降低，体积膨胀率增大
PS	scCO₂	P₁↑	泡孔密度增高，粒径尺寸分布变窄	［25⁃27］
		P₁↑	泡孔尺寸分布变窄，平均直径减小
		T₂↑	泡孔平均直径增大，泡孔密度降低
PC	scCO₂	P₁↑	泡孔密度增高，泡体密度先增高后降低	［28］
		P₁↑	泡孔平均直径减小，泡孔尺寸分布变窄
		T₁↑	发泡倍率先增大后减小
聚氯乙烯	scCO₂	T₁↑	泡孔密度降低，泡孔孔径增大	［29］
聚氯乙烯	scCO₂	T₂↑	泡孔密度降低，泡孔孔径增大	［29］
PE	scCO₂	T₁↑	平均泡孔直径先减小后增大	［30］
		T₁↑	泡孔密度先增高后降低
		P₁↑	平均泡孔直径先减小后增大
		P₁↑	发泡倍率增大，泡孔密度先增高后降低
聚丙烯（PP）	scCO₂	T₂↑	泡孔比重减小，泡孔孔径增大	［31］

[1]	MA Chao, MA Lanrong, WEI Liao, YIN Huibo, LIN Xiang. A review of modification processing and water⁃soluble degradation ability of polyglycolic acid material [J]. China Plastics, 2022, 36(9): 74-84.
[2]	MIAO Dan, SONG Yuping, WANG Wenqian. Situation of China’s blow molding industry and tendency of key products， process and equipment during the period of “14th Five⁃Year Plan” [J]. China Plastics, 2022, 36(9): 57-62.
[3]	MA Guocheng, HE Zhen, CHEN Shaojun. Research progress in degradability of cellulose acetate [J]. China Plastics, 2022, 36(9): 111-121.
[4]	LIN Jianhui, LU Jiahui, WU Xinying, FAN Xueying, DENG Guirong, GAO Liang, MEI Chengfang, YANG Yonggang. Study of uncertainty evaluation in determination of ultimate aerobic biodegradability of degradable materials under controlled composting conditions [J]. China Plastics, 2022, 36(9): 140-147.
[5]	WU Xiongjie, ZHU Dongbo, SUN Jiangbo, GAO Longmei, CHU Yu, CHENG Jinsong, XIE Aidi. Study on application performance of polyethylene/CaSO₄ nanoparticle composite flexible packaging [J]. China Plastics, 2022, 36(6): 10-15.
[6]	WEI Liao. Research progress in application of water⁃soluble polymer materials for oil and gas field fracturing [J]. China Plastics, 2022, 36(5): 149-157.
[7]	LIU Qiang, LU Yahong, WU Hui, MA Yuhao, ZHANG Yupeng, SUN Wenxiao, ZHANG Hong. Microbial degradation of polyethylene plastics [J]. China Plastics, 2022, 36(3): 120-126.
[8]	JIN Qingping, YI Jianming, GAO Yonghong, CAO Nannan, DENG Siyuan. Effect on mechanical properties of glass⁃fiber⁃reinforcement polymer bars exposure to alkaline solution under natural ambient temperature [J]. China Plastics, 2022, 36(2): 89-95.
[9]	HE Xuetao, ZHANG Yi, MO Zhenyu, LI Changjin, WANG Shuo, YANG Weimin, LI Haoyi. Preparation process of PBAT fiber membrane by melt differential electrospinning [J]. China Plastics, 2022, 36(12): 1-5.
[10]	WU Jingjing, ZHANG Wenming, ZHOU Qinpeng, ZHANG Xinqing, LU Chong. Degradation behavior of mPEG⁃PLA block copolymer and its micelles [J]. China Plastics, 2022, 36(11): 7-13.
[11]	GAO Ge, LI Yang, XU Jie, WANG Weifeng, LI Zhe. Influence of overloaded failure on thermal degradation characteristic of poly（vinyl chloride） copper wire insulation [J]. China Plastics, 2022, 36(11): 94-100.
[12]	GUAN Tonghui, FU Ye, WENG Yunxuan. Degradation behaviors of PBAT biodegradable mulch in soil [J]. China Plastics, 2022, 36(1): 67-72.
[13]	GU Xiaohua, LYU Shiwei, LIU Siwen, WANG Jiajia, KANG Yuanyuan. Degradation Recovery and Reuse of Waste Polyurethane Rigid Foams [J]. China Plastics, 2021, 35(8): 105-111.
[14]	CHEN Xinqi, BAI Yun, LIU Shanshan, GAO Xia, LIU Weili, ZHANG Mei, WU Yuwei, HUANG Yan, ZHAO Hongliang. Determination of Polylactic Acid and Other Components in Biodegradable Plastics Using Quantitative ¹H⁃NMR Method [J]. China Plastics, 2021, 35(8): 181-188.
[15]	ZHAN Jin, MA Jingjing, GAO Dali, LI Haoyi, YANG Weimin. Plasticization and Crystallization Behaviors of Polypropylene Melt Blown Fibers and Polypropylene Melt Blown Plastics for Mask Filter Layer [J]. China Plastics, 2021, 35(1): 8-12.