CN101041726A - 用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法和设备 - Google Patents

用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法和设备 Download PDF

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Abstract

所公开的是一种使用工业废物的废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法和设备。更具体而言，将废物料和聚烯烃类树脂注入缺氧气体氛围的原料供应装置中，并于其中熔融挤出。将熔融挤出的物料转移至热分解装置中并于热分解反应槽和熟化反应槽中热分解，之后使热分解物料在冷却反应槽中冷却。然后，将冷却的物料转化成为低分子量的蜡状物料，该蜡状物料在聚集和回收装置中回收。本发明能解决环境废物问题和防止环境的污染，并且还可以通过使用工业废物以低成本生产蜡状物料创建较高附加值的工业。此外，按本发明生产的产品可有效地用作颜料、热熔胶粘剂、添加剂以及其它用途。

Description

用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用工业废料废乙烯基树脂以及聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法和设备，更具体地说，本发明涉及一种用工业废料废乙烯基树脂以及聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法和设备，该方法包括步骤：注入废料和聚烯烃类树脂；然后于缺氧气体氛围下，在物料供应装置中熔融挤出该物料；将挤出的物料转移至热分解装置中，在热分解反应槽和熟化反应槽中使挤出的物料发生热分解；热分解的物料在冷却反应槽中冷却；再把冷却的物料转化成低分子量的蜡状物料；在聚集和回收装置中回收蜡状物料。
使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂的本发明的生产方法和设备可以解决环境污染问题，并且借助于用工业废料以低成本生产蜡状物料创建了更高附加值的工业。此外，蜡状物料可以作为颜料、热熔胶粘剂、添加剂和其它用途。
背景技术
由于园艺耕作的增加，在我国农业每年使用的塑料大棚产生的废乙烯基树脂的数量已经达到7-10万吨。环境废物年均增长约20％，为废物的处理带来很多困难。目前回收废乙烯基树脂仅用于有限用途。仅有极少数废乙烯基树脂被再循坏利用，大多数都用以焚烧或填埋。如果采用填埋方式处理乙烯基树脂，则需很长时间才能使废乙烯基树脂分解，从而导致土地受到污染。如果采用焚烧方式处理废乙烯基树脂，则释放出大量破坏环境的二恶英(dioxin)。上述问题不仅限于废乙烯基树脂，而且还存在于聚烯烃类树脂如聚乙烯和聚丙烯。废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂已被作为能产生环境问题的重要工业废物，因此需要再利用这些物料。在再循环利用方面，经再模制，这些物料可部分被用作容器，如水净化槽、水表箱、铲状木制碗形容器(scooped wooden bowls)、填充无机填料的农用排水沟材料等，但回收的数量特别少。
因此，从各个方面来研究回收再利用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂的方法。
我国和许多其它国家已公布了通过热分解将废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂转变为蜡状物和烃类油而被再循环利用的技术，然而从经济效益的角度考虑还不能进行商业化应用。
未审查的专利公开号为10-306118和10-330764的日本专利申请公开了一种生产烃类油和蜡状物料的方法，该法是借助于将废料和聚烯烃类合成树脂密封于耐热和耐压容器中，对其加热而使其进行热分解，然后将分解的物料转化成蜡状物料和烃类油。传统技术揭示再利用分子量非常低的蜡状分解物料，这种物料是在作为热源的热分解过程中产生的，从而产生了蜡状物料和烃类油。上述方法具有能将废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂转化成可回收的蜡状分解物料和烃类油的优点。另外，蜡状分解物料可以作为分散剂、粘合剂和添加剂使用，而烃类油可以作为廉价燃料使用。
然而，在连续生产蜡状物料中，常规技术所存在的巨大困难是将废乙烯基树脂或聚烯烃类树脂连续地注入到内热分解反应槽中，从而制造产品，因为这将伴随着回火危险。另外，常规技术为了生产蜡状物料或烃类油需要引入大量热能，而在大量热能的条件下将废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂转化成燃料的方法，实际上并不能切实提供经济效益和商业化应用。另外，热分解反应后的蜡状物料需要从约400℃的高温至一定温度的冷却条件，冷却就成为产品物理性能的决定性因素。特别是，当废乙烯基树脂转化成蜡状物料时，蜡状物料的物理性能在很大程度上取决于热分解的热量和热分解过程中所产生的高压和高温气体，该物料也因此应该在缺氧的条件下进行处理。这样的方法在制造产品中提高了生产成本并降低了经济效益，因此直到现在仍不能在商业化使用。
如上所述，将废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂通过热分解方法生产为蜡状物料的常规方法具有一些问题，如反应条件方面的困难和较高的生产成本。
发明内容
为了解决上述难题，本申请的发明人努力研究用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂作原料以低成本连续生产蜡状物料的技术，及该生产所使用的设备。结果，开发出一种设备，其包括其中安装挤出机的原料供应装置，装有热分解反应槽、熟化反应槽和冷却反应槽的热分解装置，以及包括喷射部件、旋风分离机(cyclone)、收集器、分离器以及存贮器的聚集和回收装置。
使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂的本发明设备，通过在缺氧条件下热分解废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂并在一定温度下进行冷却，生产具有低分子量的蜡状物料。转化的蜡状物料通过冷却聚集成粉状和珠状而广泛用于各种用途中。
与常规的烯烃类蜡比较，本发明生产的蜡状物料不会变质，并且能广泛用于多领域的多用途中，包括可开发出用于其它用途的可能性。
特别是，由于本发明主要利用废乙烯基树脂，因此有可能以低成本大量生产由所述蜡状物料组成的产品。另外，从商业角度考虑，本发明的竞争力比常规产品大得多，且本发明还通过再循环利用废料而解决了环境问题，并且还可以用作进口替代品或出口产品。
由此，本发明的目的在于提供一种使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂(polyolefin-based resin)生产可再循环利用的蜡状物料的方法和设备。
为了达到上述目的，提供了使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的设备，该设备包括：原料供应装置，其包括挤出机，该挤出机安装在储料器出口处，储料器带有惰性气体进气阀和排气阀；热分解装置，其包括热分解反应槽、熟化反应槽和冷却反应槽，其中各热分解反应槽都装有电炉；以及聚集和回收装置，其包括带有喷嘴的喷射部件、旋风分离机、收集器、分离器和存贮器。
另外，提供一种通过热分解废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法，包括步骤：
(a)在氮气氛围下将废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂注入到原料供应装置中，并在其中完成熔融挤出；
(b)在热分解反应槽内于250～420℃的温度下热分解熔融挤出物，此外在熟化反应槽内完成有关分解物料的热分解；
(c)在冷却反应槽内冷却分解物料；和
(d)使冷却的物料通过安装在喷射部件上的喷嘴而制成产品。
提供一种使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法，其中蜡状物料的数均分子量为1000～10000。
附图说明
现参照附图对优选实施方案加以说明，其中：
图1是举例说明按照本发明使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的设备图；和
图2是表明按本发明使用废乙烯基树脂生产的蜡状物料分子量的多分散性图。
具体实施方式
本发明的优选实施方案将在下文详细予以说明。
本发明将农业塑料大棚所使用的废乙烯基树脂或聚烯烃类树脂进行热分解，把分解物料转化成分子量为1000～10000的低分子量聚烯烃类聚合物，产生的物料为蜡状物料。
特别是，当本发明进行热分解废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂时，仅有5～20％重量的分解物料没有成为蜡状物料。
按照本发明的方法，作为原料的废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂被引入热分解系统，并且在缺氧的气氛中热分解，然后转化成低分子量的蜡状物料，由此产生所需形状的蜡状产品。这种蜡状物料的主要组成是饱和链烃的混合物，用作原料的合成树脂是由低密度聚乙烯树脂、高密度聚乙烯树脂和聚丙烯组成的聚烯烃类树脂。但对于转化成蜡状物料的聚烯烃类树脂并没有特殊限制，优选使用通过热分解可获得蜡状物料的树脂。尤其是，如果蜡状物料是由合成树脂，如聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和聚苯乙烯树脂作原料而获得时，则可以低成本生产产品。
本发明的优选实施方案将参照附图予以详细说明。
图1是举例说明按照本发明使用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的设备图。
本发明的设备包括原料供应装置2、热分解装置4和聚集和回收装置6。
首先，废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂在氮气氛围中被熔融挤出。废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂(以下称作“物料A”)被送入充满惰性气体的储料器2a和2b。
此时，物料A是按照下列两种方式处理的。一种方法是物料A通过预定分离方法分离，切成合适的尺寸，加至挤出机2g中，然后供给储料器2a。另一种方法是物料A并不直接挤出，而是通过初始加工制成板状，然后加到储料器2a中。送入物料A的储料器2a必须保持缺氧状态，以获得质量良好的蜡状物料。此外，在把物料A送入储料器2a之前，储料器2a内空气中的氧通过惰性气体进气阀2c和2e以及排气阀2d和2f而全部被惰性气体置换，并且将储料器2a置于缺氧状态中。氧气的去除是因为物料A中所含空气中的氧会与物料A起反应，由此破坏了蜡状物料的物理性能，尤其会使蜡状物料的颜色变差。
本发明使用氮气作为惰性气体，但不仅限于此。
本发明的储料器2a和2b使用厚度为3～4mm、容积为6～8m3的SUS304作原材料，但并不特别限定于此。
然后，将加至储料器2a和2b中的物料A注入挤出机2g中，并熔融挤出。此时，熔融挤出是在130～250℃，优选160～220℃的加工温度下，轴转速度在30～200rpm，优选80～150rpm的范围内完成的。
本发明的挤出机2g可采用双螺杆或单螺杆挤出机，双螺杆挤出机2g尤其有效，因此优先采用。
在挤出机2g的外部，必须安装风扇2k以调节热缸的温度。将通过挤出机2g熔融挤出的物料A转移至加热管2h和2i。与挤出机2g的出口连接的加热管2h和2i长度为500～5000mm，优选1500～2000mm。此时，加热管2h和2i的温度优选为200～250℃。加热管2h和2i的长度和温度影响热分解的条件，因而也可选择具有多层结构的加热管2h和2i。
其次，使熔融挤出的物料在250～420℃的温度下热分解。送入加热管2h和2i的熔融物料A通过与加热管2h和2i连接的熔体泵2j在压力下被转移至热分解装置4。
设计成能转移高粘度树脂的熔体泵2j在压力下可把物料A转移至热分解装置4中。此时，设定的转移量为100～3000kg，优选600～800kg。
在压力下转移的熔融态物料A在热分解装置4中进行热分解，并转化成低分子量的蜡状物料，之后被冷却。
本发明的热分解装置4，如图1所示，包括热分解反应槽4a和4b，熟化反应槽4c和冷却反应槽4d。
引入热分解反应槽4a和4b的物料A，被加热并于250～450℃的温度下发生热分解。
此处的热分解温度表示用于分解作为物料A的废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂的高分子混合物，并把分解的物料转化成低分子量蜡状物料的热能。若温度低于上述温度，物料A不利于被转化成蜡状物料，然而，若温度高于上述温度，物料A可被转化成油状物料，而不是蜡状的。尽管物料A是在较高的温度下转化成蜡状的，但是这提高了生产成本而没有经济效益。
热分解反应槽4a和4b的热转化方法可以分成两种方法，即，一种是直接从外部转化热，而另一种在内部直接转化热。考虑这两种方法的优点和缺点，本发明选择两个热分解反应槽4a和4b。在热分解反应槽4a和4b的外部分别安装电炉4i，在其内部分别插入管状棒加热器4j。
装入热分解反应槽4a和4b中的电炉4i的温度在300～1600℃的范围内，优选1100～1300℃。已送入热分解反应槽4a和4b的物料A优选以每分钟0.5～30℃，1～3℃的速度逐步加热。安装在热分解反应槽4a和4b的棒状加热器4j的功率为5Kwh，热分解反应槽4a和4b中的每一个装有8个棒状加热器。
送入热分解反应槽4a的物料A是通过熔体泵2j连续供料。当物料A的熔融粘度由于加热之后而迅速降低并达到预定数值时，由水平仪4e控制的阀门打开将熔融物料转移至热分解反应槽4b中。
如在热分解反应槽4a中所进行的，热分解反应也可以在热分解反应槽4b中通过降低物料A的熔融粘度与提高温度而完成。热分解反应后，物料A处于高分子的废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂被转化成低分子的蜡状物料的最初状态。
物料A被连续加入到热分解反应槽4b中，若分解的物料达到预定量，则分解的物料通过靠水平仪4g开启的阀4f转移至熟化反应槽4c中。
送入熟化反应槽4c的最初蜡状物料最终在360～390℃的温度下热分解。
送入熟化反应槽4C的最初蜡状物料的熔融温度优选在360～390℃范围内，并且熔融物料通过最终的热分解转化成低分子量的物料。若物料超过该温度，会引起最终蜡状物料的物理性能变坏，并且对连续生产工艺有不利影响。
第三，冷却热分解的物料。完成热分解反应的蜡状物料，被转移至冷却反应槽4d，用来完成冷却反应。此时，最终的蜡状物料根据冷却速度可发生变化。本发明的冷却反应在每分钟3～30℃，优选5～10℃之间完成。
最后，冷却的蜡状物料通过喷嘴成为产品，从而完成了本发明的方法。
在冷却反应槽4d中部分冷却的蜡状蜡B被转移至具有喷嘴6b的喷射部件6a中。
已转移至喷射部件6a的蜡状物料冷却后通过喷嘴6b产生所要求的产品。
蜡状物料经喷嘴6b卸出，冷却，之后经旋风分离机6c和分离器6e贮藏在存贮器6f中，由此完成本发明。
本发明的喷射部件6a是由适于冷却效率的合适规格，直径为2000～4000mm，优选为2200～2500mm，和长度为5000～15000mm，优选10000～12000mm构成。
目前有许多用于冷却和聚集高温蜡状物料的方法。本发明通过安装在喷射部件6a的喷嘴6b产生粉末状或珠状的产品。粉末状的粒度为18～40目，而珠状的粒度为12～20目，然后生产出最终产品。
本发明的旋风分离机6c是用来收集粉末状产品的，可引入单级、双级和多级型的旋风分离机6c。本发明使用收集效率为95～98％的旋风分离机。
本发明的收集器6d是用来防止细颗粒释放到外部。本发明的收集器是空气-脉冲型的，其中装有许多的滤层。本发明滤层的直径为100mm～150mm，长度为1000mm～2000mm，为了能有效工作，设计的收集器内装150～200滤层。
本发明的分离器6e是环状震动型，每小时的分离量为200kg～2000kg。
另外，本发明的贮存器6f的大小应适合连续操作，如为6～7m3。
如上所述，本发明热分解废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂，转化成具有低分子量的蜡状物料，之后获得分子量在1000～10000范围内的蜡状物料。检测本发明生产的蜡状物料成分的IR分析结果表明该物料主要是由C-H(2921cm-1)组成。
本发明在热分解过程中使减少了5～20％重量的废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂转化成蜡状物料，按固体重量计，该物料的回收率为80～97％，这个回收率是很高的。
本发明生产的蜡状物料可以广泛地用作塑料的颜料分散剂、标记路面用热熔胶粘剂、屋顶板的添加剂、电缆用胶状物添加剂以及其它各种用途。尤其是，几乎完全解决了常规方法焚烧或填埋工业废物废乙烯基树脂时产生的环境污染。另外，低成本处理带来最佳化效果，由此创立更高附加值的工业。
本发明将参照实施例予以详细说明，但不仅限于此。
实施例1～6
利用再处理废乙烯基树脂得到的中间产物(称作“物料A1”)制成蜡状物料，将物料A1在缺氧条件下的热分解装置中进行热分解。所用热分解装置由可调节的SUS 304材料制成，该热分解装置的容量为20L，耐受压力20kg/cm2，搅拌速度为30～500rpm，其中电炉4i的温度在800～1400℃范围内。
物料A1在热分解装置中热分解，转化成蜡状物料，之后冷却。在聚集装置中获得分子量约1000～10000的蜡状物料。
热分解条件随温度和时间而改变，如下列表1所示。
实验例
测量由上述实施例生产的蜡状物料的成分和物理性能，数据如下：
1.成分分析
1.进行NMR分析以测量蜡状物料中的碳、氢和氮的重量。在23℃的室温条件下完成以％重量为基础的碳、氢和氮的总量分析。
2.硫含量的分析
按照石英管氧法(基于JIS K 2541的一种燃烧管)燃烧硫，之后按照浊度测定法测量。
3.重金属含量
按照原子吸收法测量存在于蜡状物料中的重金属铬、镉和铅的含量。
4.分子量和分子量多分散性
热分解之后的蜡状物料的分子量和分子量多分散性是按照GPC(凝胶渗透色谱)在高温下测量的。测量条件为：柱为AD 80M/S，移动相为O-二氯苯，检测器为IR(3.42μm)，温度为140℃，流量为1.0ml/min，样品浓度为2.0mg/ml，在23℃的室温，于恒温和恒湿测量室内完成测量。
II.物理性能的测定
测定下列的物理性能并列于下列表1中。
熔融粘度(cps)：
熔融粘度是在140℃的温度下，使用Brookfield ThermoselViscometer的粘度计(型号LVT型)测量的。
软化点(℃)
软化点是按照ASTM E-28的Ring & Ball法测量的。
密度(g/cm3)
密度是按照ASTM D-792的水替代法(aquatic substitution method)测量的。
酸值
酸值是按照ASTM D-1386的方法测量的。
表1
 实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6
  热分解条件   温度 360 370 380 380 390 390
  时间 5 5 4 5 4 5
  物理性征   数均分子量(Mn)  7,500  4,300  3,500  2,600  2,800  1,850
熔融粘度(140℃，cps) 4,800 2,700 700 400 450 230
  软化温度(℃)  113  111  108  107  107  104
  密度(g/m3)  0.93  0.93  0.93  0.93  0.93  0.93
  酸值(KOH mg/g)  无  无  无  无  无  无
作为NMR分析的结果，蜡状物料是由碳、氢和氮组成的，包括84.5％重量的碳，14.3％重量的氢和0.2％重量的氮。只有极少量的重金属和硫成分被检测出，这说明该检测存在检测限。
根据表1，在热分解过程中按照不同的温度和时间得到的蜡状物料的数均分子量是7500、4300、3500、2600和1850。因此，得出数均分子量随着热分解温度的增高而迅速下降。另外，数均分子量随着热分解时间的延长而迅速下降，正如随温度的增高那样。
图2是本发明优选实施方案的分子量和分子量多分散性图。分子量的多分散性窄到1.67。
如上所述，按照本发明的方法和设备热分解废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂并转化成较低分子量的蜡状物料。
本发明能利用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂以低成本生产蜡状物料，因此创建在添加剂工业中具有较大竞争力的高附加值工业。另外，本发明的生产方法和设备能通过回收日渐增加的工业废物连续解决环境污染问题和防止环境污染而提供效果。
对比常规技术，按照本发明由热分解废乙烯基树脂和转化分解物料成蜡状物料的方法所获得的蜡状物收率以固体计在80～97％范围内。因此，本发明提供的良好效果超过常规技术。
尽管本发明仅有一些实施方案在此予以具体地说明，但是很明显在不偏离本发明的精神和范围下，可以制定无数的改进方案。

Claims (4)

1.一种利用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的设备，其包括：
原料供应装置，其包括挤出机，该挤出机安装在储料器出口处，该储料器具有吸、排惰性气体的进气阀和排气阀；
热分解装置，其包括多个热分解反应槽、熟化反应槽和冷却反应槽，其中每个热分解反应槽都装有电炉；以及
聚集和回收装置，其包括带有喷嘴的喷射部件、旋风分离机、收集器、分离器和存贮器。
2.一种利用废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂生产蜡状物料的方法，其包括步骤：
(a)在缺氧的气体氛围下，将废乙烯基树脂和聚烯烃类树脂注入到原料供应装置中，并在其中完成熔融挤出；
(b)在热分解反应槽内，于250～420℃的温度下热分解熔融挤出物，然后在熟化反应槽内进一步进行热分解；
(c)在冷却反应槽内冷却热分解物料；以及
(d)通过安装在喷射部件上的喷嘴喷射冷却物料而制得终产品。
3.根据权利要求2所述的方法，其中废料和聚烯烃类树脂的热分解率为5～20％重量。
4.根据权利要求2所述的方法，其中蜡状物料的数均分子量为1000～10000。
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