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一種硫化橡膠廢棄物的回收工藝的制作方法

文檔序號(hào):9257491閱讀:1373來源:國(guó)知局
一種硫化橡膠廢棄物的回收工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及廢棄高分子材料的回收、再生領(lǐng)域,尤其涉及一種硫化橡膠廢棄物的 回收工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 硫化橡膠,是指生橡膠通過硫化交聯(lián)而制備的彈性材料,其力學(xué)強(qiáng)度高、耐高低溫 和抗蠕變性能優(yōu)越,在人們的日常生活中廣泛應(yīng)用,其中應(yīng)用最為熟知的是輪胎橡膠。但 是,由于硫化橡膠屬于一種熱固性材料,其性能表現(xiàn)為不溶解、不熔化,由于沒有加工流動(dòng) 性,再生加工難以直接成型,因此硫化橡膠都難以回收和再利用。正因?yàn)榱蚧鹉z的廣泛 使用,就會(huì)產(chǎn)生大量難以回收的硫化橡膠廢棄物,少量被粉碎成硫化橡膠粉末,用于塑膠跑 道,但大量是難以回收,主要采用填埋或焚燒處理,造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。因此開發(fā)硫 化橡膠的回收利用新技術(shù),是實(shí)現(xiàn)資源的再生循環(huán)利用、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境治理的 重要研宄課題。
[0003] 硫化橡膠的難回收,正是由于其分子鏈之間通過硫磺單質(zhì)的作用發(fā)生交聯(lián),形成 了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。很自然,要實(shí)現(xiàn)硫化橡膠的回收,通過脫硫再生破壞其立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使 分子鏈間的交聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生解聚斷鍵,然后被重新利用,就可實(shí)現(xiàn)硫化橡膠的回收。
[0004] 破壞分子鏈之間的交聯(lián)鍵有兩種方法,即化學(xué)方法和物理方法?;瘜W(xué)脫硫方法是 利用化學(xué)助劑,如有機(jī)二硫化物、硫醇、堿金屬等,在高溫下,通過這些助劑對(duì)交聯(lián)鍵進(jìn)行進(jìn) 攻破壞,使得交聯(lián)鍵斷開,同時(shí)這些物質(zhì)還能把斷開的活性鏈端進(jìn)行惰性端封,避免破壞的 交聯(lián)鍵再次交聯(lián),這樣硫化橡膠就解聚成直鏈生膠,具有可流動(dòng)性和加工性,可以象橡膠生 膠一樣回收利用?;瘜W(xué)方法需要加入化學(xué)助劑,成本提高,并且在解聚過程中,會(huì)產(chǎn)生大量 的腐蝕性或有毒氣體,容易引起二次污染,因此化學(xué)方法并不是一種環(huán)保有效的方法。
[0005] 物理方法是不加入化學(xué)物質(zhì),只是利用外加能量,使硫化橡膠的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破 壞,形成線型直鏈的二維結(jié)構(gòu)這樣材料具有高溫流動(dòng)性和可加工性而得以再生利用。目前 常用的是微波或超聲波的方法,雖然物理方法由于沒有化學(xué)物質(zhì)的加入,不會(huì)引起二次污 染,相對(duì)環(huán)保,但這些方法的設(shè)備投資大,很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),因此效率很低,在大規(guī)模工 業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域很難實(shí)現(xiàn),大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
[0006][0007] 針對(duì)現(xiàn)有的回收硫化橡膠廢棄物方法所面臨的問題,需要研宄高效無二次污染的 新的回收處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種硫化橡膠廢棄物的回收工藝,無需加入再生劑,環(huán)保高效地脫 硫解聚硫化橡膠,脫硫解聚后的橡膠具有高溫流動(dòng)性和可加工性,可以重新硫化或用于熱 塑性材料的增韌,解決傳統(tǒng)處理方法的污染和低效率問題。
[0009] 一種硫化橡膠廢棄物的回收工藝,步驟如下:
[0010] 硫化橡膠廢棄物經(jīng)粉碎后,加入擠出機(jī),在高溫和交變剪切作用下,使得硫化橡膠 廢棄物的分子鏈發(fā)生脫硫解聚,實(shí)現(xiàn)硫化橡膠的回收利用;
[0011] 所述擠出機(jī)的擠出溫度為240~300°C,模頭壓力為3~20MPa ;
[0012] 所述擠出機(jī)螺桿的長(zhǎng)徑比為56~80,螺桿轉(zhuǎn)速為400~1200rpm,使得物料承受 的剪切線速度>4m/s ;
[0013] 所述的物料承受的剪切線速度也是指螺桿端部的線速度;
[0014] 所述擠出機(jī)的螺桿組合保持剪切力的交變周期為2~10個(gè);
[0015] 所述物料的處理時(shí)間>30s,物料的處理時(shí)間是指物料承受高溫強(qiáng)剪切的作用時(shí) 間;
[0016] 所述的擠出機(jī)為單螺桿擠出機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)。
[0017] 作為優(yōu)選,所述的擠出機(jī)為雙螺桿擠出機(jī);進(jìn)一步優(yōu)選為同向雙螺桿擠出機(jī)。
[0018] 所述的硫化橡膠廢棄物需要先粉碎至2~4cm的塊狀或片狀物,再加入擠出機(jī)中。
[0019] 作為優(yōu)選,所述擠出機(jī)的擠出溫度為260~300°C,模頭壓力為15~20MPa。進(jìn)一 步優(yōu)選,所述擠出機(jī)螺桿的長(zhǎng)徑比為72~80,螺桿轉(zhuǎn)速為500~1200rpm。再優(yōu)選,所述擠 出機(jī)的螺桿組合保持剪切力的交變周期為6~10個(gè)。
[0020] 更優(yōu)選,所述擠出機(jī)的擠出溫度為260~280°C,模頭壓力為15~20MPa,螺桿的 長(zhǎng)徑比為72~80,螺桿轉(zhuǎn)速為500~600rpm,螺桿組合保持剪切力的交變周期為6~8個(gè)。 采用上述優(yōu)選的擠出工藝,可以快速、高效地實(shí)現(xiàn)硫化橡膠的脫硫解聚,且再生后的性能優(yōu) 異。
[0021] 本回收工藝的基本原理是:在高溫和交變強(qiáng)剪切作用下,通過物理作用使得交聯(lián) 橡膠的分子鏈發(fā)生脫硫解聚,從而實(shí)現(xiàn)硫化橡膠材料廢棄物的回收利用。其基本工藝為: (1)處理溫度:240°C~300°C ;(2)為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪切,物料承受的剪切線速度>4m/S ;(3)物料 的處理時(shí)間>30s ; (4)物料承受的強(qiáng)剪切力的交變周期為2~10個(gè)。在工業(yè)過程中,可通 過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同向雙螺桿擠出機(jī)、異向雙螺桿擠出機(jī)或單螺桿擠出機(jī)連續(xù)生產(chǎn),對(duì)于 擠出機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)要求為:擠出機(jī)長(zhǎng)度直徑比為:56~80,螺桿組合保持剪切力的交變周 期為2~10個(gè)。而對(duì)于擠出機(jī)的基本加工工藝為:1)加熱溫度:240°C~300°C ; (2)螺桿 轉(zhuǎn)速:400~1200rpm ; (3)模頭壓力3~20MPa。通過該方法可實(shí)現(xiàn)硫化橡膠材料廢棄物的 循環(huán)利用,既保護(hù)了環(huán)境,還能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0022] 本發(fā)明中上述的擠出機(jī)的加熱溫度,均為擠出機(jī)設(shè)置的最高溫度。
[0023] 下面將對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0024] 本專利以環(huán)保高效地回收利用硫化橡膠材料廢棄物為目的,專利發(fā)明人為此進(jìn)行 了廣泛而深入的研宄。針對(duì)硫化交聯(lián)聚合物的解聚合機(jī)理及現(xiàn)有脫硫解聚硫化橡膠材料的 方法、如何環(huán)保高效率工業(yè)化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探索研宄。
[0025] 橡膠分子鏈發(fā)生硫化交聯(lián),線性直鏈分子間通過硫原子的橋接變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu),分子鏈間的滑移被阻止,因此硫化橡膠在宏觀上表現(xiàn)為不溶和不熔,也沒有高溫流動(dòng)性 和可加工性,廢棄物不能再次通過溶解或熔融重新加工成制品,相應(yīng)地也失去了回收價(jià)值。 要實(shí)現(xiàn)硫化橡膠的回收價(jià)值,破壞其立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵,形成線性直鏈的分子結(jié)構(gòu)才能 恢復(fù)其可加工性。
[0026] 破壞硫化橡膠的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),實(shí)際上需要破壞分子鏈之間的-C-S-鍵 和-S-S-鍵,為了保證脫硫解聚后橡膠的性能,盡量不要直鏈分子上的-C-C-鍵,因此需要 有選擇地破壞硫化橡膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而不是大分子主鏈。硫化橡膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中, 分別含有單硫鍵、雙硫鍵和多硫鍵,其中-S-S-鍵最薄弱,硫化橡膠中各化學(xué)鍵的鍵能值分 另1J 為:Ec-C= 93Kcal/mol,E c_s_c= 50Kcal/mol,E c_s_s_c= 35Kcal/mol,E c_s-s-s_c= 27Kcal/ mol。根據(jù)化學(xué)鍵的熱力學(xué)理論,破壞某類型的鍵,則需要提供足夠的能量,即外界所提供的 能量大于這些化學(xué)鍵的分子鍵能。通常通過兩種方法來提供破壞化學(xué)鍵所需的能量,一種 是化學(xué)方法,通過化學(xué)物質(zhì)對(duì)化學(xué)鍵的進(jìn)攻,降低化學(xué)鍵的鍵能,從而使得化學(xué)鍵吸收能量 斷裂而解聚,在目前,化學(xué)方法對(duì)硫化橡膠還不是很有效,即不容易找到很合適的化學(xué)物質(zhì) 可以高效地對(duì)化學(xué)鍵產(chǎn)生破壞作用,而且已報(bào)道的化學(xué)方法,則效率不高,并且過程中會(huì)產(chǎn) 生腐蝕性或有毒氣體,產(chǎn)生二次污染,因此目前而言,化學(xué)方法處理硫化橡膠還不成熟,也 不環(huán)保。另一種是物理方法,其主要是向交聯(lián)聚合物提供熱量,通過微波或超聲波的方法給 物質(zhì)提供熱量,當(dāng)熱量大于某類化學(xué)鍵的鍵能時(shí),化學(xué)鍵被破壞而發(fā)生解聚。物理方法雖然 沒有化學(xué)物質(zhì)的加入,不會(huì)引起二次污染,相對(duì)環(huán)保,但這些方法的設(shè)備投資大,很難實(shí)現(xiàn) 連續(xù)化生產(chǎn),因此效率很低,在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域很難實(shí)現(xiàn),大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
[0027] 因此現(xiàn)有的解聚硫化橡膠的方法還不成熟,為了實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保的回收,為此本專 利發(fā)明人經(jīng)過深入研宄,提出了新的解聚原理:在高溫和交變強(qiáng)剪切作用下,通過物理作用 使得硫化橡膠的分子鏈發(fā)生脫硫解聚,從而實(shí)現(xiàn)硫化橡膠材料廢棄物的回收利用。
[0028] 首先,物理方法是最環(huán)保的方法,但物理方法的關(guān)鍵是如何高效地給硫化橡膠提 供足夠的能量以破壞某類化學(xué)鍵。對(duì)物質(zhì)提供熱量,基本的方式包括熱傳導(dǎo)(加熱器供 熱)、熱輻射(超聲波或微波),熱輻射需要特殊的設(shè)備,價(jià)格昂貴,規(guī)模受限,因此并不經(jīng)濟(jì) 高效,而熱傳導(dǎo)方式受熱源溫度、物料的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和流動(dòng)狀態(tài)等多方面的影響,效率 較低,而且難以使得物料均勻且控制精確的溫度較困難,所提供的熱量要么不足以破壞交 聯(lián)鍵,要么局部過高發(fā)生分解,變成低分子量物質(zhì)甚至炭化發(fā)黑而失去作為材料的性能。因 此在硫化橡膠的回收領(lǐng)域存在一種高溫回收方法,即硫化橡膠煉油,把硫化橡膠通過高溫 加熱的方法轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞嫉囊后w有機(jī)物,但該方法效率很低,轉(zhuǎn)化率不高,而且副產(chǎn)大量的難 處理的三廢,目前這種方法已被摒棄,因此僅僅通過熱傳導(dǎo)方式還不能實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保的回 收利用。
[0029] 除了給交聯(lián)聚合物供熱使得交聯(lián)鍵破壞外,還可以通過剪切的方式,使得化學(xué)鍵 受到的剪切力超過化學(xué)鍵的化學(xué)鍵作用力。剪切力是一種宏觀作用力,而化學(xué)鍵作用力是 連接原子之間的作用力,是一種微觀作用力,通過有效的剪切作用是可以破壞化學(xué)鍵,但有 幾個(gè)因素需要考慮:首先,如何給物料足夠的剪切力,以及有效地把這種宏觀作用力作用在 微觀原子上,這是關(guān)鍵。其次,僅僅靠剪切力去破壞化學(xué)交聯(lián)鍵可能還不足夠,還可以通過 熱傳導(dǎo)的方式給物料能量,輔助剪切力去破壞交聯(lián)鍵。第三,我們回收利用交聯(lián)橡膠,希望 材料具有可加工性,同時(shí)還要有材料的性能,因此只希望破壞橋接分子鏈之間的單硫鍵或 多硫鍵,而不破壞直鏈分子結(jié)構(gòu)中的碳碳化學(xué)鍵,使分子量不要降低得太多,因此如何有效 的控制剪切力的作用也是需要考慮的?;诖苏J(rèn)識(shí),經(jīng)過研宄,我們提出了回收硫化橡膠的 基本原理:利用高溫和交變強(qiáng)剪切作用下,通過物理作用使得硫化橡膠的分子鏈發(fā)
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