CN102416675A - 基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺及设备，其特征是首先对于废旧热固性塑料进行清洗和干燥，得原料；再对于所述原料进行破碎，得块状备用料；最后将备用料投入氮气保护气体和水蒸气的再生环境中，通过再生环境中的剪切、粉磨和搅拌的处理过程使投入的备用料得到降解，获得降解再生产物。本发明拓展了热固性塑料废弃物的循环再利用范围和途径，为难以再生的热固性塑料废弃物的综合利用提供了一种新的再生方法。

Description

基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺及设备

技术领域

本发明涉及可产业化废旧热固性塑料再生工艺及设备，更具体地说一种基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺及设备

背景技术

热固性塑料固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成三维网状交联结构，不仅不能再加热熔化，在溶剂中也不能溶解。常用的热固性塑料有酚醛、聚氨酯、环氧、不饱和聚酯等及其改性树脂为机体制成的塑料。热固性塑料主要用于隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等在恶劣环境中使用，性能优良，但是热固性塑料产品往往是为长期使用而设计的，因此难以毁坏，重新使用和循环利用困难，由于热固性塑料无法熔融并再次塑性成形，回收难度极大。

目前，对于废旧热固性塑料有三种回收方法，一是物理性回收，是以颗粒形式作为填料添加到新材料中来提高材料性能，这种方法只改变材料的物理形态，工艺简单，制品成本低，通用性好，但是应用面窄、经济价值不高，且制品的力学等性能下降较大；另一是化学性回收，是通过化学方法，将废物转化为化工原料或其他物质，工艺复杂，适用性差，生产成本高；再一种是能量回收法，与化学性回收一样，容易产生有毒有害物质，对环境造成二次污染，设备投资大。

发明内容

本发明提供了一种回收成本低，回收价值大，对环境影响小，不会产生二次污染的基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺及设备，拓展热固性塑料废弃物的循环再利用范围和途径，为难以再生的热固性塑料废弃物的综合利用提供了一种新的再生方法。

本发明基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺的特点是按如下步骤：

a、对于废旧热固性塑料进行清洗和干燥，得原料；

b、对于所述原料进行破碎，得块状备用料；

c、将所述备用料投入氮气保护气体和水蒸气的再生环境中，通过再生环境中的剪切、粉磨和搅拌的处理过程使投入的备用料得到降解，获得降解再生产物。

本发明基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺的特点也在于：

对于步骤c中的降解再生产物进一步按如下方式处理：

对于脆性如同热固性酚醛层压塑料的降解再生产物进行筛分处理，大颗粒的降解再生产物重复进行步骤c；直至降解再生产物的颗粒大小符合要求后直接进行模具中的压塑成型；

对于粘性如同热固性聚氨酯的降解再生产物直接进行模具中的压塑成型。

本发明基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺的特点还在于：

在所述步骤c中，添加配用料与所述备用料共同进行剪切、粉磨和搅拌的处理，所述配用料为配合剂、粘接剂、助剂，以及热塑性塑料中的任一种或多种。

设置再生环境中的压强为：0.10-1.26MPa，水蒸气温度为：100-190℃。

本发明基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生设备的结构特点是设置：

一轴线呈水平设置的可高速旋转的剪切刀轴，在所述剪切刀轴的前半段，位于所述剪切刀轴的外周，配合设置环形定刀盘构成剪切机构，下料斗位于所述剪切机构的上方，并沿所述剪切刀轴的径向设置；在所述环形定刀盘上设置进料口承接在所述下料斗的底部下料口上；

所述剪切刀轴的后半段位于再生腔内；在所述再生腔内，相邻所述剪切机构的是一磨料机构，所述磨料机构是由与剪切刀轴同轴设置的静磨盘和动磨盘组成，在静磨盘与动磨盘的相对面上分别设置有磨齿；所述静磨盘固定设置在再生腔侧壁上，所述动磨盘与剪切刀轴固联；

在所述再生腔内，一搅拌叶轮的轮轴固联在所述剪切刀轴的尾端，出料口设置有再生腔的底部。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明针对热固性塑料交联网状结构特点，利用剪切、研磨、冲击及摩擦等多种机械力及摩擦热的综合作用，通过粉碎及降解过程获得再生产物。本发明的再生工艺不仅仅使物料粉碎且微细化，还通过机械力作用促使内部化学结构及性质发生变化，从而使物料发生降解过程，克服了现有技术粉碎方式单一，物料只被简单粉碎，回收产物价值低的缺点。

2、本发明在粉碎再生过程中，可以选择加入配合剂、粘接剂、其它助剂、热塑性塑料成分等从而增强再生效果，并通过进一步利用粉碎降解得到的再生产物，塑性成型获得高价值塑料制品。

3、本发明具有回收料利用率和利用价值高、生产成本低、工艺简单、对环境影响小、不会产生二次污染等优点

4、本发明不受热固性塑料的种类、结构及物理化学性质的限制，理论上适用于所有种类的热固性塑料的回收应用。

5、本发明设备中的多刀组合形式结构设置紧凑，能有效地获得剪切、研磨、冲击及摩擦等多种机械力及摩擦热的综合作用，进而可以实现产业化应用。

附图说明

图1为本发明再生系统示意图；

图2为本发明中再生装置结构示意图

图3a为本发明中剪切刀轴结构示意图；

图3b为本发明中环形定刀结构示意图；

图3c为本发明中剪切刀轴与环形定刀组装示意图；

图4a为本发明中磨盘示意图；

图4b为图4a侧视示意图；

图4c为本发明中磨盘另一形式示意图；

图5a为本发明中叶轮式刀搅拌刀组示意图；

图5b为图5a中A-A剖视图。

图中标号：1清洗机；2干燥机；3第一级传送带；4破碎机；5第二级传送带；6再生装置；7温度传感器；8下料斗；9原料仓；10气体收集罐；11氮气钢瓶；12气体压缩机；13蒸汽发生装置；14过滤器；15干燥器；16气体压缩机；17成型装置；18振动筛；19剪切刀轴；20环形定刀；21静磨盘；22动磨盘；23叶轮式搅拌刀组；24磨齿；25主切屑刃；26副切屑刃。

具体实施方式

本实施例中基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺是按如下步骤进行：

1、对于废旧热固性塑料进行清洗和干燥，得原料；

2、对于原料进行破碎，得块状备用料；

3、将备用料投入氮气保护气体和水蒸气的再生环境中，通过再生环境中的剪切、粉磨和搅拌的处理过程使投入的备用料在机械力及摩擦热的综合作用下得到降解，获得降解再生产物。以水蒸气加热有利于备用料的降解，以氮气环境下实现粉碎再生，外界空气无法进入再生环境中，备用料的再生过程中不会受到污染。

具体实施中，对于步骤c中的降解再生产物进一步按如下方式处理：

对于脆性如同热固性酚醛层压塑料的降解再生产物进行筛分处理，大颗粒的降解再生产物重复进行步骤c；直至降解再生产物的颗粒大小符合要求后直接在模具中进行压塑成型；

对于粘性如同热固性聚氨酯的降解再生产物直接在模具中进行压塑成型。

具体实施中，为了增强再生效果，可以添加配用料与备用料共同进行剪切、粉磨和搅拌的处理，配用料为配合剂、粘接剂、助剂，以及热塑性塑料中的任一种或多种。

(1)以热固性酚醛层压塑回用料为备用料为例，备用料与配用料按如下重量百分比配比：

热固性酚醛层压塑回用料：70-80％；

纯聚丙烯：10-20％；

硅烷偶联剂KH-550：5-6％；

助剂亚乙基双硬脂酰EBS：2-5％；

再生环境中，压强：0.10-1.26MPa，水蒸气温度：100-190℃。

压塑成型过程中，温度：180-195℃，模具压力：1.4-1.7MPa，保压时间为：4-6分钟，保温时间为9-11分钟。

(2)以热固性硬质聚氨酯塑料回用料为备用料为例，备用料与配用料的重量百分比配比、再生环境条件、压塑成型条件和热固性酚醛层压塑料(1)相同，或者按照如下重量百分比配比：

热固性硬质聚氨酯塑料回用料：70-80％；

异氰酸酯：15-25％

水：3-5％

再生环境中，压强：0.10-1.26MPa，水蒸气温度：100-190℃。

压塑成型过程中，温度：160-175℃，模具压力：10-16MPa，保压时间为：40-70分钟。

参见图2，本实施例中基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生设备是设置：

一轴线呈水平设置的可高速旋转的剪切刀轴19，在剪切刀轴19的前半段，位于剪切刀轴19的外周，配合设置环形定刀盘20构成剪切机构，下料斗8位于所述剪切机构的上方，并沿剪切刀轴19的径向设置；在环形定刀盘20上设置进料口承接在下料斗8的底部下料口上；

剪切刀轴19的后半段位于再生腔内；在再生腔内，相邻剪切机构的是一磨料机构，磨料机构是由与剪切刀轴19同轴设置的静磨盘21和动磨盘22组成，在静磨盘21与动磨盘22的相对面上分别设置有磨齿24；静磨盘21固定设置在再生腔侧壁上，动磨盘22与剪切刀轴19固联；

在再生腔内，一搅拌叶轮23的轮轴固联在剪切刀轴19的尾端，出料口设置在再生腔的底部。

对于本实施例中给出的以热固性酚醛层压塑回用料和热固性硬质聚氨酯塑料回用料为备用料的具体实施，设置剪切刀轴19的转速为2000-4000n/min，完成降解的时间为60-120分钟。

参见图2、图3a和图3c，剪切刀轴19和环形定刀20是物料在粉碎再生的剪切阶段的刀具，剪切刀轴19为圆锥体，四个刀齿呈螺旋状均布在刀轴的四周，螺旋角为30°，剪切刀轴中心为通孔；

图2所示，剪切刀轴19中部的圆柱形圆盘用于固定动磨盘22，使得传动轴带动剪切刀轴19、动磨盘22和叶轮式搅拌刀组23一起转动。

图2和图3b所示，环形定刀20的基体是圆柱体，刀齿均布在圆柱面上，刀齿的截面形状为不等腰梯形。物料进入剪切机构后，由于剪切刀轴19和环形定刀20之间的间隙沿轴向朝向磨料机构一侧逐渐变小，在剪切刀轴19轴向推动力的送料作用下，物料颗粒由大到小逐渐变小，并进入再生腔。这一阶段为高速剪切，作用机理是：热固性塑料具有网状交联的组织结构，受热不熔解，且大部分热固性塑料硬度高、脆性大，具有良好的抵抗变形和吸收变形能的能力。由于剪切刀轴19和环形定刀20之间的巨大的高速剪切力，物料承受局部高剪切和冲击应力，颗粒内部产生应力波，使颗粒微裂纹扩大并粉碎。在周期性的高频率剪切作用下，颗粒受到高频率的碰撞、接触、摩擦效应，导致网状交联结构破坏并解体，使得物料在这一区域被粉碎。

图2、图4a和图4b所示，静磨盘21和动磨盘22构成物料粉碎再生的粉磨阶段。静磨盘21与动磨盘22结构相同，基体是锥体，中心为通孔，静磨盘21为凹型锥面，相对设置的动磨盘22为凸型锥面，相对面上均设置有磨齿24，构成双面磨盘；静磨盘21与动磨盘22相吻合抵接，在静磨盘21和动磨盘22之间形成粉碎腔。根据不同种类的热固性塑料，磨盘上磨齿24的形式有两种，一种是图4a所示的放射状，共有四种长度不等的磨齿，磨齿的截面形状均为三角形，且几何尺寸相同，每一种磨齿在圆周内均匀分布四十个，且四种磨齿从大到小相间分布；另一种是图4c所示的磨齿呈弧线状，环形磨面被分成二十个大小形状相同的粉碎区，每粉碎区具有七条长度不同的弧形磨齿，七条磨齿呈等间距排列，磨齿的截面形状与放射状磨盘相同。静磨盘21与动磨盘22相向放置，两磨盘之间保持一定的间隙，根据不同种类热固性塑料的特性，可以改变两磨盘间隙控制出料粒度。动磨盘22与静磨盘21上的刀刃间的相对运动形成巨大的剪切力，同时物料在动磨盘与静磨盘之间受到强烈的挤压力。物料从静磨盘的中心进入粉碎腔因受到剪切而粉碎成细小粉体。这一过程中的物料受到强烈的挤压、环向应力和三维剪切作用，使得物料充分粉碎、分散、混合和固相力化学反应。

图5a和图5b所示，叶轮式搅拌刀组23构成物料粉碎再生的搅拌区，位于叶轮式搅拌刀组23侧边向上的主切屑刃25对物料具有高速剪切搅拌的作用，位于外圆周上的副切屑刃26对物料具有强大的挤压、摩擦和剪切作用，叶轮式搅拌刀片组23中共有四个刀排。

为实现基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺，设置系统构成如图1所示。

实施例1：

本实施例1以废旧热固性酚醛层压塑料为例：

首先，废旧热固性酚醛层压塑料通过清洗机1和干燥机2进行清洗干燥，然后将其利用第一级传送带3输送到破碎机4中破碎为块状料，块状料由第二级传送带5输送到再生装置6的原料仓9，物料由原料仓9通过下料斗8投入再生装置6中；

关闭下料斗8上的下料口，打开氮气钢瓶11的气阀，氮气经气体压缩机12由管道进入再生装置6的容腔内，同时打开蒸汽发生装置13的气阀，水蒸汽通过管道导入再生装置6的容腔内，利用温度传感器7显示再生腔中的温度；含有水蒸气的氮气是自再生装置容腔的气体出口导出后依次经过过滤器14、干燥器15和气体压缩机16，并在气体收集罐10中得到收集。

剪切刀轴19是由变频控制的电机进行驱动，通过变频控制使剪切刀轴19的转速为2500r/min，备用料在再生装置6中的氮气环境下，首先经过剪切刀轴19与环形定刀之间的相对转动完成剪切，并同时在轴向力的推动下进入再生腔中；在再生腔中，动磨盘22与静磨盘21之间的相对转动使入料得到剪切、挤压和摩擦等作用完成微细粉碎；安装在剪切刀轴上的叶轮式搅拌刀组23的旋转使物料进一步均一化。

由于热固性酚醛层压塑料的强度较高，静磨盘和动磨盘可以选用磨齿呈放射状的磨盘形式，废旧热固性酚醛层压塑料在再生装置6中经过剪切、研磨、冲击及摩擦等多种机械力及在摩擦热的综合作用下，通过80分钟的粉碎，一方面使物料粉末颗粒粒度减小，比表面积增加；另一方面长时间机械力作用使物料发生机械力化学效应，实现其可再生性。粉碎再生过程中，可以关闭氮体钢瓶11和蒸汽发生装置13的气阀，打开下料斗8的阀门，向原料仓9加入纯聚丙烯、偶联剂及助剂，以增强再生效果，也可以向原料仓9中增加一些废旧热固性酚醛层压塑料块状物料。

随后，对粉碎再生后的物料利用振动筛18进行筛分处理，没有达到预期效果的大颗粒物料重复粉碎再生过程，最后采用压塑成型工艺，利用成型装置18将废旧热固性酚醛层压塑料的粉末制成塑料制品。

实验结果表明：粉碎再生后的热固性酚醛层压塑料，经微观结构表征测试，当机械作用力增大，长时间的机械能累积效应，伴随摩擦热能增加，温度上升，分子链会发生断裂，生成新的基团，酚醛树脂三维网状结构交联度降低而降解，表现出来一定粘度和塑性性能，恢复了一定的塑性成型能力。热固性酚醛层压塑料制品成品的形状及性能经分析与检测，具有高强度、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性、抗蠕变性能等优良的性能。

实施例2：

本实施例2是以废旧热固性硬质聚氨酯塑料为例：

再生工艺同实施例1，其中剪切刀轴19的转速为2000n/min，完成降解的时间为70分钟，由于热固性硬质聚氨酯塑料的强度较低，静磨盘和动磨盘可以选用磨齿呈弧线状的磨盘形式，本实例中向原料仓9加入异氰酸酯、水，以增强再生效果，废旧热固性聚氨酯的降解再生产物直接进行模具中的压塑成型，不需要振动筛分。

实验结果表明：粉碎再生后的热固性硬质聚氨酯塑料，经微观结构表征测试，聚合物网状交联分子链由于机械物理作用，发生链断裂，出现新的基团，表现出来一定粘度和塑性性能，恢复了一定的塑性成型能力。热固性硬质聚氨酯塑料制品成品的形状及性能经分析与检测，具有独特的耐热性、耐磨性、耐低温型等优良的性质。

Claims (5)

1.基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺，其特征是按如下步骤：

a、对于废旧热固性塑料进行清洗和干燥，得原料；

b、对于所述原料进行破碎，得块状备用料；

c、将所述备用料投入氮气保护气体和水蒸气的再生环境中，通过再生环境中的剪切、粉磨和搅拌的处理过程使投入的备用料得到降解，获得降解再生产物。

2.根据权利要求1所述的基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺，其特征是对于步骤c中的降解再生产物进一步按如下方式处理：

对于脆性如同热固性酚醛层压塑料的降解再生产物进行筛分处理，大颗粒的降解再生产物重复进行步骤c；直至降解再生产物的颗粒大小符合要求后直接进行模具中的压塑成型；

对于粘性如同热固性聚氨酯的降解再生产物直接进行模具中的压塑成型。

3.根据权利要求1或2所述的基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺，其特征是在所述步骤c中，添加配用料与所述备用料共同进行剪切、粉磨和搅拌的处理，所述配用料为配合剂、粘接剂、助剂，以及热塑性塑料中的任一种或多种。

4.根据权利要求3所述的基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生工艺，其特征是设置再生环境中的压强为：0.10-1.26MPa，水蒸气温度为：100-190℃。

5.一种基于机械物理法可产业化废旧热固性塑料再生设备，其特征是设置：

一轴线呈水平设置的可高速旋转的剪切刀轴(19)，在所述剪切刀轴(19)的前半段，位于所述剪切刀轴(19)的外周，配合设置环形定刀盘(20)构成剪切机构，下料斗(8)位于所述剪切机构的上方，并沿所述剪切刀轴(19)的径向设置；在所述环形定刀盘(20)上设置进料口承接在所述下料斗(8)的底部下料口上；

所述剪切刀轴(19)的后半段位于再生腔内；在所述再生腔内，相邻所述剪切机构的是一磨料机构，所述磨料机构是由与剪切刀轴(19)同轴设置的静磨盘(21)和动磨盘(22)组成，在静磨盘(21)与动磨盘(22)的相对面上分别设置有磨齿(24)；所述静磨盘(21)固定设置在再生腔侧壁上，所述动磨盘(22)与剪切刀轴(19)固联；

在所述再生腔内，一搅拌叶轮(23)的轮轴固联在所述剪切刀轴(19)的尾端，出料口设置有再生腔的底部。

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