RU2679776C1 - Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита - Google Patents

Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита Download PDF

Info

Publication number
RU2679776C1
RU2679776C1 RU2018105052A RU2018105052A RU2679776C1 RU 2679776 C1 RU2679776 C1 RU 2679776C1 RU 2018105052 A RU2018105052 A RU 2018105052A RU 2018105052 A RU2018105052 A RU 2018105052A RU 2679776 C1 RU2679776 C1 RU 2679776C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
filler
decomposition
composite material
binder
products
Prior art date
Application number
RU2018105052A
Other languages
English (en)
Inventor
Татьяна Владимировна Коршунова
Григорий Александрович Потемкин
Татьяна Александровна Морозова
Валерий Станиславович Дрожжин
Юрий Васильевич Скорочкин
Наталия Станиславовна Васильева
Борис Иванович Бобылев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2018105052A priority Critical patent/RU2679776C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2679776C1 publication Critical patent/RU2679776C1/ru

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/12Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of plastics, e.g. rubber
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20Recycling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области ресурсосбережения и регенерации материалов при утилизации объектов техники, в частности, оно предназначено для извлечения порошка наполнителя из композиционного материала. Техническим результатом является сокращение производственного цикла и контроль извлечения наполнителя из утилизируемого материала. Способ заключается в нагреве композиционного материала в среде непрерывно продуваемого газа с выведением из зоны нагрева газообразных продуктов с последующим извлечением наполнителя. При этом предварительно определяют продукты разложения композиционного материала, которые используют в качестве индикаторов полноты протекания процесса разложения. Нагрев композиционного материала осуществляют до температуры не ниже температуры разложения связующего. На выходе из зоны нагрева производят отбор проб газообразных продуктов, в которых определяют наличие веществ-индикаторов. По отсутствию в газообразных продуктах веществ-индикаторов судят об окончании процесса разложения связующего композиционного материала, после чего извлекают регенерированный наполнитель. 2 табл.

Description

Изобретение относится к области ресурсосбережения и регенерации материалов при утилизации объектов техники, в частности, оно предназначено для извлечения порошка наполнителя из композиционного материала. Изобретение может применяться для извлечения дорогостоящих неорганических наполнителей из полимерных композитов.
К композитам (композиционным материалам, КМ) относятся материалы, состоящие из нескольких компонентов и имеющие гетерофазную структуру с поверхностью раздела фаз. Композиционные материалы, имеющие полимерную непрерывную фазу (связующее). и одну или несколько дисперсных фаз. распределенных в объеме связующего (наполнитель), называются полимерными композитами. Полимерные композиционные материалы широко используются в современной технике и промышленных технологиях для придания изделиям, изготавливаемым из них, необходимых функциональных качеств, включающих соответствие требуемым значениям механических, теплофизических, электрических, магнитных и иных характеристик, в том числе способность поглощать различные излучения, проявлять каталитическую активность и т.д. Конкретный состав используемого наполнителя задается и определяется типом характеристик, которых необходимо достигнуть. Например, для придания изделиям из композитов необходимых значений магнитных характеристик, в качестве наполнителей используют весьма дорогостоящие редкоземельные металлы, такие как неодим и самарий.
Ввиду высокой стоимости многих наполнителей, представляется целесообразным извлекать их из изделий, отработавших свой гарантийный срок эксплуатации ввиду старения и износа полимерного связующего, из стружки или опилок, образующихся при формовании деталей, из бракованных деталей и пр. При реализации опытно-промышленного способа извлечения наполнителя может применяться эмпирический подбор температурно-временного режима путем химического анализа остатка после выжигания, а это весьма затратный путь. Можно подобрать ориентировочно режим выжигания на малых пробах на термоанализаторе (термогравиметрический анализ). Однако в этом случае не учитываются масштабные факторы, т.к. при термогравиметрическом методе масса исследуемого композита очень невелика (~10-100 мг).
Техническое решение применимо к композитам с полимерной матрицей, содержащим в своем составе дорогостоящие неорганические наполнители, термически стабильные при температуре разложения полимерного связующего. В качестве таких наполнителей могут выступать, например, частицы металлов или их соединений, а также бора и кремния.
Поскольку любое полимерное связующее представляет собой органическое соединение с углеродной основой, все полимерные композиты можно отнести к углеродсодержащим материалам. Известен ряд способов извлечения ценных наполнителей из углеродсодержащих материалов, такие как экстракция наполнителя в расплав [патент РФ №2061067, МПК С22В 7/00, публ. 27.05.1996], концентрирование деасфальтизацией с последующей термообработкой и выщелачиванием наполнителя [патент РФ №2066701, МПК С22В 61/00, публ. 20.09.1996], и, наконец, термическая обработка углеродсодержащих материалов в присутствии окислителя. Окислитель может участвовать в процессе как в виде конденсированной фазы, например, использование расплавов карбонатов щелочных металлов в [патент РФ №2114202, МПК С22В 11/02, публ. 27.06.1998], так и в виде газа. Способ термического извлечения наполнителя в присутствии газообразного окислителя (чаще всего воздуха) является весьма распространенным, он достаточно прост в исполнении, но требует больших энергетических затрат на нагрев, к тому же при его реализации выделяются токсичные газо- и парообразные вещества.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ извлечения соединений металлов при термической переработке металлсодержащего сырья, углеводородных металлсодержащих композитов [патент РФ №2278175, МПК С22В 7/00, публ. 20.06.2006], согласно которому механическую смесь твердых компонентов, включающую металлсодержащее сырье, твердое горючее и инертный наполнитель, загружают в реактор, в котором в потоке газообразного окислителя, например воздуха, организован нагрев, возгонка летучих соединений, горение (окисление) и последующая конденсация (извлечение) окисленных металлов. Максимальная температура в зоне горения находится в пределах 850-1500°С.
Одним из недостатков прототипа является то. что при столь высокой температуре подавляющее большинство наполнителей окисляется, и. как следствие, требует дальнейшей регенерации, связанной с немалыми затратами, либо вообще теряют свою ценность. Кроме того, об окончании процесса регенерации судят только после извлечения утилизируемого продукта из зоны протекания реакции, и, за счет этого, существенно увеличивается время на отработку технологического процесса регенерации.
Задачей заявляемого изобретения является сокращение производственного цикла и контроль извлечения наполнителя из утилизируемого матери ал а.
Техническим результатом заявляемого способа является:
- определение полноты протекания процесса извлечения порошка наполнителя из композиционного материала;
- экспрессное определение времени окончания процесса извлечения, следовательно, сокращение производственного цикла и снижение трудо- и энергозатрат на дополнительный нагрев;
- возможность снижения доли окисленного наполнителя;
- возможность сквозного контроля производственного никла регенерации.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита, заключающийся в его нагреве в среде непрерывно продуваемого газа с выведением из зоны нагрева газообразных продуктов, с последующим извлечением наполнителя. в котором. согласно изобретению, предварительно определяют продукты разложения связующего, которые используют в качестве индикаторов полноты протекания процессов разложения композита и удаления продуктов разложения с потоком газа, нагрев композиционного материала осуществляют до температуры, не ниже температуры разложения связующего, на выходе из зоны нагрева производят отбор проб газообразных продуктов, в которых определяют наличие веществ-индикаторов, по отсутствию в газообразных продуктах веществ-индикаторов судят об окончании процесса разложения связующего композиционного материала после чего извлекают регенерированный наполнитель.
Технический результат при использовании заявляемого способа достигается за счет применения веществ-индикаторов и отбора проб газообразных продуктов на выходе из зоны нагрева, в которых определяют наличие веществ-индикаторов. Результаты анализа состава газовой фазы, а именно данные об отсутствии в ней веществ-индикаторов, свидетельствуют об окончании процесса регенерации наполнителя, что дает основания для остановки опыта и прекращения подачи окислителя (воздуха), что немаловажно при извлечении окисляющихся наполнителей, поскольку, чем дольше наполнитель будет находиться в среде окислителя при высокой температуре, тем больше вероятность его частичного окисления. Обладание такими данными значительно сокращает время, затрачиваемое на получение оптимального температурно-временного режима технологических процессов извлечения наполнителей из утилизируемых материалов. Отбор одной или 2-х проб газовой фазы из печи при извлечении наполнителя в промышленных масштабах по отработанному технологическому процессу позволит контролировать протекание процесса без отклонений и сбоев (исключить засорение выхлопной магистрали и пр.), что имеет особое значение при извлечении дорогостоящих и остродефицитных наполнителей. Кроме того, при термическом разложении полимерных связующих, в подавляющем большинстве случаев выделяются значительные количества вредных и опасных соединений. При незавершенном удалении связующего подобные соединения могут оставаться в камере печи, и вследствие этого причинять ущерб технологическом) оборудованию, а при открывании камеры печи нанести также вред здоровью персонала.
Заявляемый способ реализован следующим образом. Проводится предварительный опыт по термическому разложению композита, определяются продукты разложения, которые будут служить индикаторами полноты протекания процесса. Как правило, это газообразные продукты, которые образуются на последних стадиях процесса извлечения.
После этого проводится сам процесс извлечения наполнителя, заключающийся в нагревании композиционного материала до температуры не ниже температуры разложения связующего в среде непрерывно продуваемого газа (в большинстве случаев воздуха). На выходе из зоны нагрева при помощи специальных пробоотборников производится отбор газовых проб. Методом масс-спектрометрического/хроматографического анализа в отобранной газовой пробе проводится определение содержания компонентов, образующихся при выжигании связующего. Когда, согласно результатам газоанализа, вещество-индикатор перестает определяться, что означает, что оно перестает выделяться из зоны нагрева, процесс останавливают и извлекают наполнитель.
Способ опробован при отработке технологического процесса извлечения порошка кристаллического бора из композиционного материала, в котором в качестве связующего используется полипропилен. Измельченный композит массой (26-200) г помешали в контейнер из нержавеющей стали и нагревали со скоростью ~10°С/мин до конечной температуры, равной 525°С (температура окончания разложения полипропилена 498°С), при этом температура внутри контейнера измерялась отдельно при помощи встроенной термопары. Атмосфера в печи создавалась путем продувки сжатого воздуха со скоростью 60-1000 л/ч. Газовая фаза, образующаяся при терморазложении связующего, отводилась из области нагрева с потоком продуваемого воздуха и отбиралась в газовые пробоотборники для последующего анализа с целью определения наличия веществ-индикаторов.
Состав газовой фазы определяли при помощи метода адсорбционной газовой хроматографии на хроматографе «Цвет-800». В качестве веществ-индикаторов были определены па основе результатов газоанализа: диоксид углерода (CO2), этилен (С2Н4), пропилен (С3Н6). Результаты представлены в таблицах 1-2.
Таблица 1 - Состав газовых смесей, образующихся при выжигании полипропилена из боросодержашего композита (масса композита 26 г, скорость продувки 60 л/ч)
Время от начала опыта Температура в контейнере/ печи, °C Объемные доли газовых компонентов, %
H2 CH4 СО СО2 C2H4 C2H6 C3H6
2 ч 440/482 0,95 0,80 1,54 1,28 0,59 0,04 0,14
2 ч 45 мин 524/525 - следы - 0,15 следы - -
5 ч 50 мин 524/525 - - - - - - -
В газовой пробе, взятой спустя 3 ч после достижения конечной температуры, не обнаружено компонентов, являющихся продуктами термического разложения полипропилена, из чего можно сделать вывод, что процесс к этому времени в данных условиях завершается полностью.
Таблица 2 - Состав газовых смесей, образующихся при выжигании полипропилена из боросодержашего композита (масса композита 200 г, скорость продувки 100 л/ч)
Время от начала опыта Температура в контейнере/ печи, °C Объемные доли газовых компонентов, %
CH4 СО2 C2H4 C2H6 C3H6
2 ч 199/300 - - - - -
3 ч 298/350 следы 0,34 - - следы
4 ч 375/400 0,63 4,17 0,28 следы 0,26
7 ч 500/500 следы 0,12 - - следы
8 ч 500/500 - 0,09 - - -
Очевидно, что в условиях второго опыта, процесс протекает со значительно меньшей скоростью, о чем свидетельствует наличие следов органических соединений (пропилена) спустя 7 ч после начала нагрева.
В целом данные, приведенные в таблицах 1, 2 указывают на то, что время протекания процесса терморазложения связующего, а, следовательно, и извлечения наполнителя, зависит от условий проведения регенерации (скорость нагрева, скорость продувки воздуха, конечная температура), и что процесс можно контролировать по продуктам, выделяющимся из зоны нагрева. Данные о составе газовой фазы, отходящей из зоны нагрева утилизируемого материала, значительно снизят количество опытов при разработке технологии регенерации и, как следствие, трудо- и энергозатраты.
Заявляемый способ не ограничивается приведенным примером.
Данным способом можно извлекать тантал из композитов с полипропиленовым связующим; редкоземельный элемент гадолиний из композиционных материалов с полистирольным связующим, редкоземельные неодим и самарий из магнитопластов с каучуковым связующим. Магнитопласты, в частности, весьма широко используются в изделиях современной техники, таких как магнитопроводы, электродвигатели и пр.
Использование заявляемого способа извлечения дорогостоящего наполнителя из утилизируемого полимерного композиционного материала позволит:
- снизить затраты на отработку технологии извлечения наполнителя;
- уменьшить трудо- и энергозатраты на избыточный нагрев печи при выжигании связующего;
- сократить производственный цикл за счет сквозного контроля технологии регенерации;
- снизить долю окисленного продукта;
- повысить безопасность работ по регенерации;
- контролировать технологию регенерации наполнителей, в том числе при осуществлении процесса в промышленных масштабах.

Claims (1)

  1. Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита, заключающийся в его нагреве в среде непрерывно продуваемого газа с выведением из зоны нагрева газообразных продуктов с последующим извлечением наполнителя, отличающийся тем, что предварительно определяют продукты разложения, которые используют в качестве индикаторов полноты протекания процесса разложения, нагрев композиционного материала осуществляют до температуры не ниже температуры разложения связующего, на выходе из зоны нагрева производят отбор проб газообразных продуктов, в которых определяют наличие веществ-индикаторов, по отсутствию в газообразных продуктах веществ-индикаторов судят об окончании процесса разложения связующего композиционного материала, после чего извлекают регенерированный наполнитель.
RU2018105052A 2018-02-09 2018-02-09 Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита RU2679776C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105052A RU2679776C1 (ru) 2018-02-09 2018-02-09 Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105052A RU2679776C1 (ru) 2018-02-09 2018-02-09 Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2679776C1 true RU2679776C1 (ru) 2019-02-12

Family

ID=65442868

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018105052A RU2679776C1 (ru) 2018-02-09 2018-02-09 Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2679776C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504267A (en) * 1992-04-06 1996-04-02 S-P Reclamation, Inc. Resource recovery by catalytic conversion of polymers
RU2278175C2 (ru) * 2004-08-05 2006-06-20 Институт Проблем Химической Физики Российской Академии Наук (Ипхф Ран) Способ извлечения соединений металлов при термической переработке металлсодержащего сырья
RU2433345C1 (ru) * 2010-04-08 2011-11-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Способ рециклинга наполнителей из отходов полимерных композитов
RU2488101C1 (ru) * 2012-01-20 2013-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Способ определения содержания наполнителя в полимерном композите

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504267A (en) * 1992-04-06 1996-04-02 S-P Reclamation, Inc. Resource recovery by catalytic conversion of polymers
RU2278175C2 (ru) * 2004-08-05 2006-06-20 Институт Проблем Химической Физики Российской Академии Наук (Ипхф Ран) Способ извлечения соединений металлов при термической переработке металлсодержащего сырья
RU2433345C1 (ru) * 2010-04-08 2011-11-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Способ рециклинга наполнителей из отходов полимерных композитов
RU2488101C1 (ru) * 2012-01-20 2013-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Способ определения содержания наполнителя в полимерном композите

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Long et al. TG–FTIR analysis of pyrolusite reduction by major biomass components
RU2679776C1 (ru) Способ извлечения наполнителя из утилизируемого полимерного композита
Kulyk et al. Dimethylsilanone generation from pyrolysis of polysiloxanes filled with nanosized silica and ceria/silica
Renman et al. Determination of isocyanate and aromatic amine emissions from thermally degraded polyurethanes in foundries
Kyotani et al. Study of calcium catalysis on carbon gasification with molecular oxygen-18
JP4398206B2 (ja) セメントの製造方法
RU2546981C1 (ru) Способ обработки облученного реакторного графита
JP3376071B2 (ja) コークスの製造方法
Erliyanti et al. The preparation of fixed carbon derived from waste tyre using pyrolysis
JP2013160603A (ja) ゴム材料の分析方法
Siewiorek et al. Gas evolution rate from heated moulding sands bonded with organic binders
Kucherov et al. In situ esr monitoring of the coordination and oxidation states of copper in Cu-ZSM-5 up to 500° C in flowing gas mixtures: 2. Interaction with CH4 and CO
CN101565182A (zh) 一种含酚焦油的处理方法
Blazevska-Gilev et al. Thermal degradation of PVAc
Wulandari et al. The effect of pre-treatments to the nickel limonite leaching using dissolved gaseous SO2-air
Ding et al. Pyrolysis of carbazole: Experimental results and kinetic study
Żymankowska-Kumon et al. Influence of the atmosphere on the type of evolved gases from phenolic binders
JP2007033076A (ja) ベンゼンの炭素源特定方法
Liao et al. Distribution of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in a fly ash treatment plant
Babu et al. Coking of athabasca bitumen: effect of oxidation and sand
Genberg et al. Sealed glass tube combustion of μg-sized aerosol samples
CN102331361B (zh) 原子吸收光谱法化验含有机炭的微细粒金矿的预处理方法
Takeuchi et al. Prevention of activated carbon bed ignition and degradation during the recovery of cyclohexanone
Bauminger et al. A combustion method for the estimation of carbon black in compounded rubber
DE102009007457A1 (de) Einschneckenreaktor zur qualitativen und quantitativen, schnellen und sicheren Ermittlung von relevanten, bewertbaren Prozessdaten für die Behandlung von Abfallströmen durch Niedertemperaturpyrolyse