CN1132137A - 废纤维强化塑料的粉碎方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明将以热固型树脂为基体材料的废纤维强化塑料(FRP)容易地且不引起公害地粉碎成微细粉末，从而提供不带静电的、可用作具有疏水性或者亲水性表面的复合材料的高性能微粉。本发明的粉碎方法使用外表面上具有粒度粗于270目的金刚石砂粒的旋转金刚石砂轮，在一道工序中将废纤维强化塑料(FRP)粉碎成微细粉末。本发明的粉碎装置包括将废料推送至上述的金刚石砂轮的推送机构、静电消除机构以及粉末收集机构。

Description

废纤维强化塑料的粉碎方法及装置

本发明涉及为了再利用而将很难粉碎的纤维强化塑料(以下称为FRP)的废料及制造过程中产生的下脚料以较高的效率粉碎成具有适当粒度的高性能粉末的方法及装置。

粉末是无机化工、有机化工、金属工业及食品工业等众多工业中所采用的原料的一种形态，而且也是制成品的一种形态。因此，本发明的使用能提高上述各个产业中制成品的特性，而且能够使各个产业中的各种复合材料的性能显著提高。

纤维强化塑料(FRP)是指由纤维状的加强材料和作为基本材料的热固型树脂形成的复合材料，例如加入了玻璃纤维作为加固材料的树脂(GFRP)、加入了碳纤维的树脂(CFRP)以及加入了有机纤维的树脂等。它们的废料也具备耐久性好、强度高、重量性等优异性能，因此，粉碎起来很困难，特别是纤维的切断非常困难。

因使用的目的不同，树脂的种类也有种种各样，如异构系列的中等耐蚀性的不饱和聚酯树脂、高耐蚀性树脂中的双酚系列不饱和聚酯树脂、耐氧化性树脂中的牛油系列不饱和聚酯树脂以及高耐蚀性树脂中的环氧树脂等等。

成品的种类仅以GFRP为例，广泛使用于工业建材、运输机械(汽车、车辆)、建筑材料(平板、波纹板、净化槽、坐便器、杂物、头盔、净水塔及浴室设备)等领域。

一般来说，将物体粉碎成粉末状的方式粗略地说有二种：(1)依靠冲击应力进行粉碎和(2)依靠压缩力进行压碎。人们已设计出多种应用上述二种方式的粉碎装置，并已使之实用化。但是对于不易粉碎及不易压碎的FRP材料而言，目前还没有能够以较高的效率进行粉碎并制成具有一定粒度的粉末的粉碎方法和装置。

对于FRP之类的工业废料，就连制造厂家也是委托外部的工业废料处理公司将自己厂内产生的修剪下来的聚合物残渣及不及格产品回收、埋掉，这样做的制造厂家的比例极高，造成费用增加，给经营造成压力。另外从使用者方面看，住宅装修造成废料量剧增，只是单元式浴室每年要埋掉10～15万个，平板、波纹板每年也要埋掉1万吨以上。沿海的22万艘渔船、10万艘出租帆船也要逐渐废弃，其中一部分将被违法抛弃。这么多的废弃物对地球的环境保护也产生了很大的问题。FRP即便埋入土中也不会产生半永久的腐烂，烧掉时废气会引起大气污染，经浓缩的残渣中的重金属也会引起二次公害等问题。因此虽然FRP在工业上被广泛使用，但对其废弃物却没有能进行充分的调查，处理技术和方法也未能确立。

鉴于这样的现状，本发明无论是从防止公害的角度出发，还是从资源的有效利用的方面着想都是极其有效的手段，其目的是通过将FRP废弃物进行粉碎，将它与(比方说)水泥类无机材料进行复合，得到已除去静电的或者更进一步表面已经改性从而具有亲水性的高性能、高品质的FRP微细粉末，以实现FRP的再利用。

开发本发明的前提条件是要满足下列各点：第一是不能产生任何二次公害，第二是具备作为反复循环使用的粉末需的物理条件，第三是能高效率地进行粉碎处理。

为了实现回收粉末的目的，发明人选择了机械粉碎方法，而不是燃烧、加热溶解及药品溶解等化学方法。但是，在使用各种常用粉碎机进行的试验中，得出了哪一种都不太适合于粉碎FRP的结论。

也就是说，试验结果表明，在利用冲击力的粉碎方式如利用锤式粉碎机行粉碎时，要达到将材料压碎的程度是可能的，但要将材料粉碎成粉末是不可能的。另一方面，在使用压缩力的压碎方式(如捣磨机)中，能使材料变形，但不能压碎材料的组织构造。因此要实现上述目的是不可能的。

申请人将以前从未试过的磨削加工方式作为在无公害的状态下将难于粉碎的FRP完全地加以粉碎并且回收的手段。一般的研削加工是以很高的精度除去一定量的加工材料的表面，其目的是使材料表面达到规定的尺寸和表面光洁度。切割下来的材料粉末即为废弃物。

因此，发明人采用逆向思维，想到了将材料不加保留地全部切削掉以实现粉碎的方案。基于这种新颖构思的本发明是要提供一种能够以很好的效率并且无公害地对难于加工的FRP进行处理的粉碎方法和装置。

本申请中有关废纤维化塑料(FRP)的粉碎方法的发明的特征在于：将FRP废料推送至高速旋转的磨削轮的外表面，粉碎成微细粉末状，该方法是将外表面上紧密地结合有粒度粗于270目的金刚砂粒的金刚石砂轮用作磨削轮；FRP废料被粉碎时，因高压电晕放电而离子化了的空气吹向上述金刚石砂轮的外表面，从而消除掉上述FRP废料微粉中的静电，并对金刚石砂轮进行冷却。

另外，在与上述的粉碎方法有关的发明中，对于粉碎FRP废料得到的微细粉末在通入臭氧的条件采用紫外线加以照射，并且加热至约100℃促进其氧化，从而有效地将上述的微细粉末改性为具有亲水性表面的微细粉末。

本申请中有关废纤维强化塑料(FRP)的粉碎装置的发明包括：外表面上紧密地结合有粒度粗于270目的金刚砂粒并且设置有多个凹部的金刚石砂轮、该金刚石砂轮的旋转驱动机构、使高压电晕放电产生的离子化空气吹向上述金刚石砂轮的静电消除机构，以及对粉碎生成的FRP废料的微细粉末进行收集的粉末收集机构。

另外，上述的有关粉碎装置的发明中还可以附设一个表面改性机构，该机构对于自粉末收集机构导入的FRP废料粉末在通入是氧及加热至约100℃的状态下，用紫外线进行照射。

采用本发明的粉碎方法及装置，通过将FRP废料推送至高速旋转的金刚石砂轮的外表面上，能够将FRP废料中所包含的玻璃纤维等强化纤维与热固树脂同时地、在一道工艺中高效地粉碎成具有适合再利用的适当粒度及粒度分布的微粉末。通过使离子化了的空气吹向金刚石砂轮的外表面，可以消除制成的微细粉末中的静电，并使金刚石砂轮进行强制冷却。

这样，使用本申请中的发明就可以借助于金刚石砂粒的很好的热传导性以及金刚石砂轮的强制冷却防止砂轮过热，能进行长时间的作业。另一方面，通过消除静电可以制成流动性相当好的微细粉末，这种微细粉末的收集比较容易，并能将微细粉末在粉末收集机构内部呈悬浮状态而引发粉尘爆炸的危险防患于末然。

另外，本发明还可以通过表面改性而将原先的疏水性微细粉末改性成具有亲水性的高性能微粉。

图1是本申请的粉碎装置去掉防尘罩后的示意性正视图。

图2是图1中所示的粉碎装置去掉部分防尘罩后的示意侧视图。

图3是本申请的发明中所使用的金刚石砂轮的一个实施例，(a)为部分剖面正视图，(b)为外表面的示意性剖面图，(c)为安装孔的侧视图。

图4为本申请的粉碎装置上安装的表面改性机构的说明性工艺图。

各附图中的符号说明如下：

1.机架

2.轴承

3.主轴

4.电机

5.电机皮带轮

6.皮带

7.主轴皮带轮

8.金刚石砂轮

9.防尘罩

11.盖板

12.导管

13.软管

14.废料放置台

15.气缸支架

16.气缸

17.废料推送器

18.皮带轮盖

19.砂轮安装孔

21.槽

22.凸条

23.静电去除机构

24.喷嘴

25.表面改性机构

26.投料槽

27.紫外线照射处理室

28.紫外灯

29.振动式输送台

31.臭氧发生器

32.氧气瓶

33.氮气瓶

34.贮粉槽

35.脱臭机构

下面根据实施例来说明本发明。

首先，之所以选用金刚石砂粒，是因为加入了玻璃纤维及碳纤维作为FRP的加固材料后的热固型树脂的硬度很高，如使用一般的铝(WA)、碳化硅(GC)及具有立方晶体的氮化硼(CBN)等砂粒的话，砂轮的磨损极快，必须频繁地进行更换，生产效率和经济性均不佳。而且，这些砂粒成分大量混入粉碎好的成品中，反复循环使用时会产生质量方面的问题。

至于金刚石砂粒的种类，目前市售的工业用天然金刚石和人造金刚石均可使用，并且具有同样的性能。

另一方面，至于金刚石砂粒的粒度，种种实验结果表明，金刚石砂粒的粒度不同，形成的微细粉末的粒度分布及粉碎效率也大有不同，并且显示出采用金刚石砂粒度大的砂轮进行磨削时，粉碎好的粉末的粒度粗，砂粒小时生成的粉末粒度也小。然而，砂粒小于270目(53μm)时，粉末将过于细微，粉碎所需的时间太长，效率就太低了。

另外，金刚石砂轮的构成最好是使用借助于电镀法、熔敷法及烧结法等方式将金刚石砂粒紧密地结合在金属基板上的那种砂轮。采用这种构造的话，起到切割刀具作用的金刚石砂粒在表面上的分布极多，从而能以高效率粉碎材料。特别是，金刚石砂粒与金属基板的热传导性均良好，能够吸收进行切削加工所产生的热量，从而能进行连续作业。另外砂轮的外圆周表面上设有螺旋形凹槽等适当的凹部，故圆周表面上不会发生堵塞，从而能实现将粉碎好的粉末迅速地并且是连续地排出、回收。

在附图中示出的作为本申请的一个实施例的粉碎装置中，FRP废料从把粉碎加工区域包围起来的防尘罩上的废料送入口送入，将一定量的废料以一定的压力压向旋转的金刚石砂轮，借助于金刚石砂轮的研削力使材料粉末化。通过调节推压机构的推力，可以控制材料的供给速度，从而可以对粉末粒子的粒度进行微调整。另外，为了提高FRP微细粉末回收效率，防止其对工作人员造成影响，以及为了防止噪音，还配备了上面所述的防尘罩和粉尘收集机构。另外，为了使生成的少量块状及线状玻璃纤维等非粉末状生成物与粉末进行分离，可以在粉尘收集机构中设置过滤器，也可以在粉尘加工区域与粉尘收集机构之间设置分离槽等分离机构。

如果粉末收集机构的吸引能力很强，也可以将防尘罩做成单纯的砂轮罩，这样可以从外部对粉碎状况进行观察。相反，当粉末收集机构的吸引能力较弱时，在废料送入口部分设有“风帘”机构，使微粉不致于向外飞散。而且，助于形成风帘的空气还可以提高金刚石砂轮的冷却效果。

另外，在本申请的发明中，特别是在上述防尘罩的内侧，使金刚石砂轮的外周表面对着空气吹出口，并设有用高频高压产生电晕放电而生成离子的喷嘴式静电除去机构即静电消除机构。借助于吹出的已离子化了的空气的除电效果消除掉粉末中所带的静电，并防止粉末附着于砂轮及防尘罩的内表面，同时通过吹出的空气还可对砂轮进行强制冷却。

消除了静电的FRP微细粉末的流动性变高，因此，作为复合材料进行混合作业时就能有效地进行。此外，通过使这些微细粉末通过表面改性机构，可以使原来所具有的表面疏水性改变成亲水性。

物质的表面上具有独特的化学结合状态。内部结构中虽然都由同样的原子构成，但表面上有自由电子，或者与空气中的氧原子相结合，因此其状态对物质表面所表示出来的性质即湿润性、表面硬度、粘接性、导电性、光反射性、光洁度等具有显著的影响。

如果能精密地控制物质表面原子的种类及其排列状态，就能调节上述物质的性能。如果是微细粉末的话粉末越细微，纤维状物质的话纤维的直径越小，则其表面结构对表面性能所具有的影响越大。通过这样的表面改性，可以显著地改变材料的表面性能。

本申请中表面改性的基本机制属于气相氧化的一种，以臭氧氧化为主体。即使只通入臭氧，FRP微细粉末的耐药性及耐久性就会变得非常优异，就不会被氧化。

因此，本发明中采用了包含184.9nm和253.7nm波长的紫外线来照射臭氧，生成活性氧气，这种活性氧气使FRP的细微粉末进行氧化。在活性氧气的作用下，用作FRP树脂的不饱和聚脂树脂受到氧化作用，引入了羧基、碳酰基及内脂基等含氧基。这一点可根据红外线光谱分析加以确认。

另外，这种反应不能在室温下进行，而是要加热至100℃，这样可提高反应速度，使臭氧容易分解，生成大量的活性氧，向FRP微细粉末的表面引入氧原子，这样可将疏水性表面改变为亲水性表面。

为了使表面改性为亲水性，下面二点是必要的：①紫外线的输出强度要较高，②臭氧的浓度要高。为此，本发明中的低压水银灯的输出为500W，生成臭氧的臭氧发生器送出的臭氧浓度为3万ppm。

高浓度的臭氧吹入紫外线照射处理室内，紫外线通过合成石英窗照射处理室内的振动输送台上厚度均匀向地放置着的微细粉末。经过这一处理后的微粉末若投入水中，即使不加搅拌也会马上沉入水中。

下面，通过附图详细说明本申请的粉碎装置。其中，图1是示意性正视图，图2为示意性侧视图，由机架1上的轴承2所支撑着的主轴3由电机4通过电机皮带轮5、皮带6和主轴皮带轮7带动旋转。主轴3上固定有金刚石砂轮8，砂轮8由防尘罩主体9及盖板11所构成的防尘罩所包围，防尘罩下方配备有导管12，通过软管13收集粉末的收粉机与导管12相连接。

机架1上面向着砂轮8的外表面设置有废料放置台14，放置台14的内端穿过上述防尘罩主体9的侧面上的废料送入口，装入防尘罩内，接近砂轮8的外园周面。此外，在机架1的侧面的气缸支架15上设置了一个气缸16，气缸16的活塞前端装有废料推进器17，该废料推进器将废料放置台14上的FRP废料推向金刚石砂轮8的外周表面。18是将电机皮带轮5、皮带6、主轴皮带轮7包围起来的皮带轮罩，23为静电消除机构，24为吹出离子化空气的喷嘴。

静电消除机构23在防尘罩主体9的内侧沿轴向设置，呈园筒状的静电消除机构23内部设有负载高压的导线，在其外壁面上沿轴向面对着砂轮8的外表面以较窄的间距连续地配置了多个喷嘴24，与这些喷嘴24相对应的多个电极针附设在上述的导线上。这样，有高电压时从电极针会发生电晕放电，使由外部送入机构23中的空气离子化，这种离子化了的空气通过喷嘴24吹向砂轮8的表面，即吹向对FRP废料进行粉碎的位置。

图3(a)，(b)，(c)是金刚石砂轮8的一个实施例的说明图，其中(a)为砂轮的部分断面正视图，(b)为表示砂轮表面的剖面展开图，(c)为砂轮安装孔19的侧视图。砂轮8具有由金属制成的基体，其外表面上设有螺旋角为α的多条螺旋状凸条22，从而形成了构成凹部的槽21。通过电镀法、熔敷法及烧结法将粒度粗于270目的金刚砂粒紧密结合于凸条22的表面。这时，如果相对于凸条22的宽度把槽21的宽度调得比图中的不同并且适当增大上述的螺旋角α的话，即使废料呈板状，其前端也不会进入槽21中，所以能够进行良好的粉碎。

本发明的粉碎装置由于具备上述结构，故放置台14上放着的FRP废料在由气缸16和废料推进器17构成的推进机构的作用下被推送至金刚石砂轮8的外圆周表面进行粉碎，粉碎生成的粉未象前面所述的那样由喷嘴24喷出的离子化空气进行静电消除，赋予很好的分离性能和收集性能，并最终通过导管12、软管13由构成粉末收集机构的收粉机进行高效率的收集。

下面借助图4中所示的工艺说明图来说明本申请的粉碎装置中设置的表面改性机构。

收集在上述的粉末收集机构的收粉机中的微细粉末先被送入投料槽26中，再落到紫外线照射处理室27中的振动式输送台29上。处理室27与通过产生臭氧的臭氧发生器31与氧气瓶32相连，并且还与在处理作业结束后供给氮气以将臭氧环境气体排出氮气瓶33相连。此外，处理室27内还设有用于进行紫外线照射的紫外灯28，并使处理后的微细粉末从上述振动输送台29上落下的位置正对着贮粉槽34的槽口。处理室27还设有一个脱臭机构35，该脱臭机构35将处理室27排出的臭氧的恶臭用活性炭等进行脱臭后再向外部排出。另外，在处理室27内部设有加热机构，能将振动输送台上的FRP微粉加热到约100℃。

表面改性机构的结构如上所述，自投料槽26落到处理室27内的振动输送台29上的FRP微细粉末在输送台29上分散成薄层，并被加热至100℃。与此同时，在来自上方的紫外灯28的紫外线的照射下，并在由臭氧生成的活性氧的作用下，FRP粉末的表面接受由疏水性变为亲水性的改性处理。在加在输送台29上的振动作用下，顺次沿箭头方向前进2～10分钟后，落入贮粉槽34中被收容起来。

接受这种表面改性、成为亲水性后的FRP微细粉末即使投入水中，也不会在水面上浮游，马上就会沉入水中。这样它就特别适合于用作复合材料的原料如水泥中的骨料等等。

下面，说明具体的实施例。

实施例1

使用30～40目(600～420μm)的工业用天然金刚石砂粒来试制金刚石砂轮(φ260×70mm)。

将它装入图1、图2中所示的粉碎装置(电动机马力为2HP)中，并使之以每分钟500转的速度旋转，FRP废料的尺寸规定为50×400mm的板材，厚度约为30～40mm之间。将FRP废料搁置在废料放置台14上，由气缸16以每分钟100mm左右的速度推向砂轮8的外圆周表面，制成细微粉末。

生成的微细粉末的粒度如下表1所示，从表中可以看出，大部分废料已被粉碎成74μm以下的微细粉末。在上述条件下，每小时的微粉生成量约为3kg。

                表1  微粉末的粒度分布粒度(μm)≥297 297～210 210～149 149～105 105～74 747～44  ≤44比例(％)  0.6    0.5       2.3     5.2       6.5    74.2    10.7

实施例2

使用16～18目(1000～1200μm)的工业用天然金刚石砂粒试制(φ250×140mm)的金刚砂轮，装入稍加改进后的图1、图2中所示的粉碎装置(电动机马力改为5HP)中，然后以和实施例1同样的条件进行粉碎。其结果示于下面的表2中，

             表2  微粉末的粒度分布粒度(μm)  ≥297 297～210 210～105 105～74  74～44  ≤44比例(％)    0.8    4.6      55.7     24.9    11.0    2.9

从表2中可以看出，生成的微粉的粒度大部分在210μm之下，比实施例1的结果要粗。从粉碎效率方面看，每小时的生成微粉9kg。可以看出，与实施例1的条件相比较，金刚砂轮的轮辐增加了一倍，电动机马力为原来的2.5倍，但粉碎效率即大幅度地提高了。在实施例1和2中，金刚石砂粒与废料之间摩擦产生的热量均因金刚砂粒具有很高的传导性而被吸收分散掉，另外收粉机的吸引力产生的流入空气具有风冷效果，吹出的离子化空气又具有强制风冷的效果。因此，金刚石砂轮几乎未发现有温度上升的现象。

采用本发明的粉碎方法，可以只通过一道工序将FRP废料低能耗高效率地并且是经济地粉碎成粒度大都在200μm以下的微粉。另外，采用该粉碎装置的话，还不会引起金刚砂轮上出现微粉堵塞和温度上升的现象，对工作场所的环境空气没有任何污染，能高效并且经济地长时间实施本发明的粉碎方法，从而可以有效地回收到已被粉碎成微粉的、利用价值很高的粉末。

本发明中将离子化了的空气吹向正在粉碎FRP废料的金刚轮的外周面，从而使砂轮强制冷却，同时也能消除生成的FRP微粉上所带的静电。这样就提高了微粉的分离性能，能防止它们附着、固化于砂轮表面及防尘盖等粉末收集机构的内表面上，流动性也得到提高，收集性能及输送性也能得到提高。

另外，本发明的粉碎方法及装置上如果还附加上表面改性机构的话，可以对粉碎FRP废料得到的微粉末在臭氧流通下用紫外线加以照射，与此同时加热至100℃，在生成的活性氧的作用下可以将FRF微粉具有的疏水性的表面改性为具有亲水性的表面，从而给微粉赋予对以后的反复循环使用有用的性能和品质。

另外，还可以防止微粉在收集机构内部呈悬浮状态而引起粉尘爆炸的危险。分离性能、收集性能及输送性能提高了的最好是表面已改性成亲水面表面的微粉在收集以后进行装袋或者与水泥等其他粉末进行混合等后续作业时非常容易处理，能达到使用价值特别高的效果。

Claims (4)

1.一种废纤维强化塑料的粉碎方法，包括：将废纤维强化塑料推送至高速旋速的磨削轮的外表面上粉碎成微细粉末状，

其特征在于：

将外表面上紧密地结合有粒度粗于270目金刚石砂粒的金刚砂轮用作磨削轮对废纤维强化塑料进行粉碎时，使由高电压经电晕放电产生的离子化空气吹向上述金刚石砂轮的外表面，消除上述废纤维强化塑料微粉中的静电，同时使金刚石砂轮进行冷却。

2.如权利要求1所述的废纤维强化塑料的粉碎方法，其特征在于：在有臭氧流通的条件下用紫外线照射粉碎废纤维强化塑料所得的微粉，并加热至100℃促进其氧化，从而将上述微粉改性成具有亲水性表面的微粉。

3.废纤维强化塑料的粉碎装置，包括：

外表面上紧密地结合有粒度粗于270目的金刚砂粒并且还在该外表面上还设置有多个凹部的金刚石砂轮，

上述金刚石砂轮的旋转驱动机构，

将废纤维强化塑料推送至上述金刚石砂轮的外表面的推送机构，

把经高压电晕放电产生的离子化空气吹向上述金刚石砂轮的外表面的静电消除机构，以及

把粉碎成的废纤维强化塑料的微细粉末收集起来的粉末收集机构。

4.如权利要求3所述的废纤维强化塑料的粉碎装置，其特征在于还设有表面改性机构，该机构对于从粉末收集机构引入的废纤维强化塑料的微细粉末在通入臭氧和加热至约100℃的基础上，用紫外线加以照射。

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