CN104690844A - 一种采用三螺杆连续挤出脱硫胶粉制备颗粒橡胶的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用三螺杆挤出机由脱硫胶粉连续制备颗粒橡胶的方法，属废旧橡胶循环再生领域。将初步彻底冷却后的脱硫胶粉通过计量喂料装置加入到三螺杆挤出机内，利用三螺杆挤出机强大的物料输送能力、剪切、混合能力以及较高的产能比，在低温条件下对脱硫胶粉施加高剪切、拉伸和压缩作用，进一步破坏脱硫胶粉内的交联网络，在保证力学性能不下降的提前下，降低脱硫胶粉的门尼粘度，制备得到颗粒状的橡胶产品，取代传统精炼机。本发明采用三螺杆挤出机在密闭、低温、高剪切条件下连续完成，不仅起到了传统精炼机降低脱硫胶粉门尼粘度的作用，而且生产过程环保、节能、连续，所得颗粒橡胶产品的力学性能和门尼粘度稳定性优于传统精炼机所得产品。
Description
技术领域：
本发明涉及一种降低脱硫胶粉门尼粘度的新方法，尤其涉及采用三螺杆连续挤出脱硫胶粉制备颗粒橡胶的方法，属于废旧橡胶循环再利用领域。
背景技术：
随着我国橡胶行业的发展，对橡胶资源需求越来越大，每年都需大量进口，2013年我国天然橡胶自给率低于25％，合成橡胶自给率不到60％；而与此同时，废旧橡胶却越积越多，2013年，我国废旧轮胎产生量近3亿条，重量约达1080万吨。
废轮胎属于工业有害固体废弃物，属于不溶或难溶的高分子材料，上百年都不会自然消失，而且污染土壤和地下水资源，被人们称为“黑色污染”。处于对我国橡胶资源短缺和废旧轮胎对环境污染的考虑，对废轮胎的脱硫再生是我国废橡胶循环利用的最主要方式，占废旧橡胶处理总量的70％以上。废轮胎脱硫再生的基本生产工艺流程是：i)废轮胎制备胶粉；ii)胶粉脱硫制备得脱硫胶粉；iii)脱硫胶粉精炼进一步脱硫以降低门尼粘度制得最终产品。其中，第三道工序是利用多台串联的高速比的双辊精炼机对再生胶粉进行强行剪切、捏炼，以达到降低再生胶门尼粘度的作用，改善再生胶的加工性能。但是，在精炼机开放式的高速剪切过程中，会随之带来大量的烟气污染，可以说是整个废轮胎脱硫再生过程中最主要的空气污染来源。其次，传统精炼机制备工艺中每台设备都需要配备一个操作工人，不仅烟气污染会危害工人的身体健康，而且开放的高速精炼机会给操作工人带来极大的安全隐患，工伤事件频频发生。脱硫胶粉经多台精炼机强行剪切后最终打卷出片，胶片温度会升高至100℃以上，由于橡胶是热的不良导体，在存放过程不仅存在着自燃的危险，而且会导致门尼粘度的回弹以及产品力学性能的下降。此外，多台精炼机的传统方式还存在着设备投入成本高，能耗高，产量低的缺点。
为降低精炼机带来的环境污染，有规模的企业会采用环保抽风排气设备，甚至将精炼机组放在一个密闭隔屋内，强行抽走高温精炼剪切所产生的烟气，但是此类环保除尘设备长期使用效果均不理想。此外，由于每台精炼机都需配备一名工人，传统处理措施根本无法解决一线操作工人所面对的空气污染。为了减少人工的参与，黄汉雄等(CN201420326527.9)公开了一种再生胶炼胶工序自动化生产线，采用4台开炼机和2台精炼机串联，虽然降低了用工人数，一定程度上提高了生产功效，但设备投资成本大大提高，也未能解决空气污染和安全隐患问题。
发明内容：
本发明的目的在于克服现在脱硫胶粉精炼技术的上述缺点，提供一种采用三螺杆连续挤出脱硫胶粉制备颗粒橡胶的方法。
本发明的目的是通过以下流程来实现的：一种采用三螺杆连续挤出脱硫胶粉制备颗粒橡胶的方法，其特征是将脱硫胶粉通过计量加料装置，加入到三螺杆挤出机内，通过冷却设备控制三螺杆第一物料输送段的机筒温度在0℃～25℃，预剪切段的机筒温度在5℃～40℃，第二物料输送段的机筒温度在5℃～25℃，第二剪切段的机筒温度在-5℃～35℃，第三物料输送段的机筒温度在0℃～55℃，反应0.5min～5min后由挤出机挤出，物料温度在50℃～120℃，将其经冷却装置冷却至40℃以下，得到所制备的颗粒橡胶。
所用脱硫胶粉最好是经废轮胎胶粉、废丁基橡胶、废乙丙橡胶中的一种初步脱硫制备。初步脱硫制备的脱硫胶粉的门尼粘度值为60～160。
所用计量加料装置最好是锥形双螺杆喂料机或单螺杆强制喂料机的一种。
所用三螺杆挤出机的直径以50mm～150mm为宜，长径比以16:1～48:1为宜。
所用三螺杆挤出机的三根螺杆中心连线以“一”字形排列或倒“品”字形排列的一种为宜。
所制备的颗粒橡胶质量以3g～30g/个，密度为0.95～1.35g/cm3为宜。
通过对比考察传统精炼技术中脱硫胶粉和最终再生胶产品在结构、加工性能和力学性能上的区别，从原理上明确精炼机在制备再生胶过程中的作用。在此基础上，提供了一种低温高剪切的三螺杆挤出机，通过计算机流场模拟计算、螺杆原件的设计、组合、螺杆各区段温度的控制，赋予螺杆挤出机足够的剪切、压缩和拉伸作用，发生物理化学断裂重排反应，实现脱硫胶粉到再生胶的结构转变，从而替代了传统的精炼机，彻底实现废橡胶制备再生胶工艺流程的环保。
本发明采用一台三螺杆挤出机作为脱硫胶粉连续精炼设备，保证了脱硫胶粉改善加工性能过程的安全连续化生产；整个精炼工艺在低温密闭条件下完成，消除了烟气污染，大大改善了工厂的工作环境；无需后续多台精炼机的人工操作，大大降低了劳动强度和能耗，节约了成本；整个工艺流程从计量喂料到自动包装出料连续自动完成，提高产品的质量稳定性；通过合理控制螺杆各区段的温度，有效地提高了物料剪切热的传热效率，使出料温度大大下降；最终产品为颗粒状，不仅更有利于散热，解决了传统块状再生胶堆放易自燃、门尼粘度易回弹、产品力学性能下降的缺点。
本发明充分发挥了三螺杆挤出机几何排布方式灵活多变、剪切啮合区多的特点,使物料在流向、流速上形成多重变化，碾压面积成倍增加,能够对物料构成高效的挤压、破碎、揉捏、压延、拉伸作用。正是这种高效的剪切混炼作用，使三螺杆挤出机不仅能够达到甚至超过传统多台精炼机改善脱硫胶粉加工性能的效果，而且在能耗增加不多的前提下，产量大大提高，以小的长径比就能获得较高的产能比,技术经济效益好。同时，通过本发明提供的与三螺杆挤出机相匹配的计量喂料装置的设计，能够实现种类和不同初步脱硫程度的脱硫胶粉的稳定计量供料。此外，本发明在有限元的分析计算、物料与螺杆动摩擦系数等的计算基础上，通过三螺杆挤出机的功率、扭矩、磨耗等合理的配置与设计，克服了橡胶低温弹性大而造成的高扭矩、高磨耗等问题，在低温条件下实现了由物料粉体状态到熔体颗粒状的转变。通过本发明提供的三螺杆连续挤出脱硫胶粉制备颗粒橡胶的方法，不仅实现了精炼工艺的安全、环保、连续和节能，而且提高了所得产品的加工性能、力学性能以及质量稳定性。比如，采用废轮胎胶粉初步脱硫制备的脱硫胶粉，所得颗粒橡胶的加工性能较之传统工艺改善20％以上，力学性能提高10％以上，门尼粘度一个月内基本不回弹。因此，本发明经济效益和社会效益明显，具有广阔的市场应用前景。
门尼粘度是反映橡胶加工性能的好坏和分子量高低及分布范围宽窄的一个普适和重要的参数。门尼数值越大，表示粘度越大，其可塑性越低。按照GB 1232标准规定，门尼粘度以符号Z100℃1+4表示。其中Z——转动粘度值；1——预热时间为1min；4——转动时间为4min；100℃——试验温度为100℃。在我国通常以ML100℃1+4来表示。其中M表示门尼，L表示用大转子。1表示预热1分钟，4表示试验4分钟。在橡胶技术领域，在讨论一种橡胶材料的加工性能时普遍用门尼粘度值来说明，同时也默认其测试条件为ML100℃1+4，是国标规定和业内认可的一种表达方式。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：将由废轮胎胶粉初步脱硫制备的脱硫胶粉通过锥形双螺杆喂料机，加入到“一”字形排列的同向三螺杆挤出机(D＝50mm,L/D＝48:1)内，通过冷却设备控制三螺杆第一物料输送段的螺杆元件为正螺纹元件、机筒温度在0℃，预剪切段的螺杆元件为反螺纹元件和啮合块的组合、机筒温度在20℃，第二物料输送段的螺杆元件为正输送螺纹元件、机筒温度在25℃，第二剪切段的螺杆元件为啮合块和齿形混炼块的组合、机筒温度在35℃，第三物料输送段的螺杆元件为啮合块和正输送螺纹元件的组合、机筒温度在25℃，螺杆转速为250rpm,反应0.5min后由挤出机挤出，物料温度在70℃，将其经连续冷却装置冷却至30℃，包装后得到重量为10g/个、密度为1.05g/cm3的颗粒橡胶。其中，上述初步脱硫制备的脱硫胶粉的门尼粘度为160，拉伸强度为14.2Mpa,断裂伸长率为420％。
采用上述脱硫胶粉，本发明所制备颗粒橡胶性能与传统精炼工艺所制备的再生橡胶性能对比如下表：
实施例2：将由废丁基橡胶初步脱硫制备的脱硫胶粉通过锥形单螺杆喂料机，加入到“一”字形排列的同向三螺杆挤出机(D＝90mm,L/D＝30:1)内，通过冷却设备控制三螺杆第一物料输送段的螺杆元件为正螺纹元件和反螺纹元件的组合、机筒温度在25℃，预剪切段的螺杆元件为啮合块和正螺纹元件的组合、机筒温度在40℃，第二物料输送段的螺杆元件为正输送螺纹元件、机筒温度在35℃，第二剪切段的螺杆元件为啮合块和齿形混炼块的组合、机筒温度在55℃，第三物料输送段的螺杆元件为正输送螺纹元件、机筒温度在55℃，螺杆转速为50rpm,反应5min后由挤出机挤出，物料温度在120℃，将其经连续冷却装置冷却至40℃，包装后得到重量为30g/个、密度为1.35g/cm3的颗粒橡胶。其中，上述初步脱硫制备的脱硫胶粉的门尼粘度为98，拉伸强度为7.7Mpa,断裂伸长率为470％。
采用上述脱硫胶粉，本发明所制备颗粒橡胶性能与传统精炼工艺所制备的再生橡胶性能对比如下表：
实施例3：将由废乙丙橡胶初步脱硫制备的脱硫胶粉通过单螺杆强制喂料机，加入到“品”字形排列的同向三螺杆挤出机(D＝150mm,L/D＝16:1)内，通过冷却设备控制三螺杆第一物料输送段的螺杆元件为正螺纹元件、机筒温度在5℃，预剪切段的螺杆元件为啮合块、齿形混炼块和正螺纹元件的组合、机筒温度在5℃，第二物料输送段的螺杆元件为正输送螺纹元件、机筒温度在-5℃，第二剪切段的螺杆元件为啮合块和齿形混炼块的组合、机筒温度在0℃，第三物料输送段的螺杆元件为正输送螺纹元件和反螺纹元件的组合、机筒温度在0℃，螺杆转速为80rpm,反应3min后由挤出机挤出，物料温度在50℃，将其经连续冷却装置冷却至25℃，包装后得到重量为5g/个、密度为0.95g/cm3的颗粒橡胶。其中，上述初步脱硫制备的脱硫胶粉的门尼粘度为95，拉伸强度为5.7Mpa,断裂伸长率为300％。
采用上述脱硫胶粉，本发明所制备颗粒橡胶性能与传统精炼工艺所制备的再生橡胶性能对比如下表：
以上具体实施方式所述，仅为用以说明本发明的实例，而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明提出的保护范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种采用三螺杆连续挤出脱硫胶粉制备颗粒橡胶的方法，其特征是：将脱硫胶粉通过计量加料装置，加入到三螺杆挤出机内，通过冷却设备控制三螺杆第一物料输送段的机筒温度在0℃～25℃，预剪切段的机筒温度在5℃～40℃，第二物料输送段的机筒温度在5℃～25℃，第二剪切段的机筒温度在-5℃～35℃，第三物料输送段的机筒温度在0℃～55℃，在挤出机内作用0.5min～5min后由挤出机挤出，物料温度在50℃～120℃，将其经冷却装置冷却至40℃以下，得到所制备的颗粒橡胶。
2.根据权利要求1的方法，其特征是所用脱硫胶粉是经废轮胎胶粉、废丁基橡胶、废乙丙橡胶中的一种初步脱硫制备。
3.根据权利要求2的方法，其特征是初步脱硫制备的脱硫胶粉的门尼粘度值为60～160。
4.根据权利要求1的方法，其特征是所用计量加料装置是锥形双螺杆喂料机或单螺杆强制喂料机的一种。
5.根据权利要求1的方法，其特征是所用三螺杆挤出机的直径是50mm～150mm，长径比是16:1～48:1。
6.根据权利要求1的方法，其特征是所用三螺杆挤出机的三根螺杆中心连线是“一”字形排列或倒“品”字形排列的一种。
7.根据权利要求1的方法，其特征是所制备的颗粒橡胶质量为3g～30g/个，密度为0.95～1.35g/cm3。
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Denomination of invention: Method for preparing granular rubber by adopting three screw rods to continuously extrude devulcanized rubber powder Effective date of registration: 20190819 Granted publication date: 20171013 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd Suqian branch Pledgor: Suqian Jin Green Rubber Machinery Ltd. Registration number: Y2019320000059 |
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Date of cancellation: 20211125 Granted publication date: 20171013 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Suqian branch Pledgor: SUQIAN LVJINREN RUBBER & PLASTIC MACHINERY CO.,LTD. Registration number: Y2019320000059 |