基于机械物理法的废旧热固性塑料再生方法与试验.pdf

第 4 1 卷第 1 1期 2 0 1 3年 1 1 月 塑料工业 CHI NA PL AS TI CS I NDUS TRY 1 1 5 基于机械物理法的废旧热固性塑料再生方法 与试验 何平 ，吴仲伟 ，马玉平 ，陈从升 ，李辉 ，潘绍波 ( 1 安徽建筑大学建筑机械故障诊断与预警技术重点实验室，安徽 合肥 2 3 0 6 0 1 ； 2 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ) 摘要：比较了废旧热固性塑料回收再利用方法；揭示了机械物理再生原理和目标 ；提出了基于机械物理法的再生 回收方法；建立废旧热固性塑料再生回收的工艺和试验流程。通过对热固性塑料回收的试验，验证了在合适的转速 、 温度和时间条件下，由于机械物理作用，再生制品恢复了一定的塑性成型能力。最后对再生制品 ( 酚醛聚氯 乙烯共 混)进行力学性能测试。结果表明：再生塑料制品的拉伸强度与弯曲强度分别可达到 2 5 MP a 和 5 1 MP a以上，有效回 收利用率达到 7 O 以上 。 关键词 ：热 固性塑料 ；机械物理法 ；再 生原 理 ；力学性能 D OI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 5 7 7 0 2 0 1 3 1 1 0 2 7 中图分类号 ：T Q 3 2 2 9 文献标识 码 ：B 文章编号 ：1 0 0 5 5 7 7 0 ( 2 0 1 3 )1 1 一O l 1 5 0 4 Re g e n e r a t i o n a nd Ex p e r i me nt o f W a s t e The r mo s e t t i ng Pl a s t i c s Ba s e d o n M e c h a ni c a l a n d Phy s i c a l M e t ho d HE Pi n g ， W U Z ho ng we i ， MA Yu。 p i n g ， CHEN Co n g s he ng ， L I Hu i ， PAN S h a o b o ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e ry F a u h D i a g n o s i s a n d Wa r n i n g T e c h n o l o g y ， A n h u i J i a n z h u U n i v e r s i t y ， He f e i 2 3 0 6 01 C h i n a ； 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l &A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ，H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy，H e f e i 2 3 0 0 0 9，C h i n a ) Abs t r ac t ： Ma i n me t ho ds a b o u t r e c y c l i n g t e c h n o l o g y o f wa s t e t h e r mo s e t t i n g p l a s t i c s we r e c o mp a r e d， a n d t h e me c h a n i c a l a n d p h y s i c a l r e g e n e r a t i o n me c h a n i s m wa s r e v e a l e d T h e n t h e r e g e n e r a t i o n me t h o d b a s e d o n t h e me c h a n i s m wa s p r e s e n t e d Ac c o r di ng l y， t he r e g e n e r a t i o n r e c y c l i n g p r o c e s s a n d e x p e r i me n t o f t h e wa s t e t h e r mo s e t t i n g p l a s t i c s we r e d e t e r mi ne d By me a n s o f r e c y c l i ng a n d r e g e n e r a t i o n e x pe rime n t o n t he r mo s e t t i ng p l a s t i c s ， i t wa s pr o v e d t h a t un d e r a p p r o p r i a t e s pe e d， t e mpe r a t u r e a n d t i me c o n d i t i o n s， t he r e g e n e r a t i o n s p e c i me n r e s t o r e d c r y s t a l l i z e d a b i l i t y t o a c e r t a i n e x t e n t d ue t o t he me c h a n i c a l a n d p h y s i c a l f u n c t i o n At l a s t ， t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e r e g e n e r a t i o n s p e c i me n ( b l e n d o f b a k e l i t e a n d P V C) w e r e t e s t e d C o n s e q u e n t l y，t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d b e n d i n g s t r e n g t h o f r e g e n e r a t i o n p l a s t i c s c a n r e a c h 2 5 MP a a n d 5 1 MP a r e s p e c t i v e l y ，a n d t h e wa s t e t h e r mo s e t t i n g p l a s t i c s r e c y c l i n g r a t e wa s o v e r 7 0 Ke y wo r d s ： T h e r mo s e t t i n g P l a s t i c s ； Me c h a n i c a l a n d P h y s i c a l Me t h o d； Re g e n e r a t i o n P ri n c i p l e ； Me c h a n i c a l P r o p e rti e s 目前全球性资源消耗巨大 ，如果将废 旧塑料 回收 再利用 ，便可减轻对不可再生资源的消耗 ，实现可持 续发展 。但是废 旧塑料的 回收效果却并不令人满意 ， 2 0世纪 8 0年代末 ，美 国废旧塑料回收率为 3 5 ，而 我国仅在 2 0 以下 。废 旧塑料 的 回收与开发原生 资源相比，成本较低 ，所以废 旧塑料的回收具有十分 广阔的市场和潜力。将废旧塑料 回收再利用 ，可以有 效解决资源浪 费和环境污染 ，利 国利 民 2 1 。对废 旧 热塑性塑料 的回收再利用研究较为成熟 ，而热固性塑 料 由于其硬度高 、强度大、耐高温等优 良性能 ，要想 国家 自然科学基金资助项目 ( 5 0 9 7 5 0 7 4 ) 作者简介 ：何平 ，博士，讲师，主要从事绿色设计与制造方面的研究。p e a c e 1 8 2 3 1 6 3 c o n 2 01 3拄 回收制造出高价值的再生制品是困难 的。因此 ，如何 有效地将废旧热固性塑料回收再利用 ，并且提高其 回 收率 ，是 目前塑料行业急需解决的一个重要问题。 为了解决上述问题 ，目前废旧热固性塑料 主要 的 回收方法是物理 回收法 、能量回收法 、化学 回收法和 再生回收法。物理 回收法只改变材料的形态 ，工艺简 单 ，但应用面有限 ；能量 回收法通过焚烧获取能量 ， 会产生有害的污染物质 ，造成环境 的二次污染 ；化学 回收法成本高 ，工 艺复杂，适用性差 ，存在各种缺 陷，难以推广 ，无法形成 产业化 ；再生 回收法 绿色环保 、成本低 ，真正实现 了资 源高效 、循环利 用 ，同时产生较高 的经济 效益 ，是 回收方法 中的首 选 。本文提出基于机械物理法 的热 固性 塑料再生 回收方法 ，通过机械力及热的综合作用 ，促使热固性 塑料发生机械力化学效应 ，不仅发生物理变化 ，而且 使其内部的分子结构及化学性质发 生改变 ，活性增 强 ，重新恢复可塑性 ，再通过塑性成型获得具有一定 力学性能的再生塑料产品。 1 机械物理 法再 生原理和 目标 机械力化学学科的奠基人 P e t e r s 等学者把机械力 化学反应定义为 ：“ 物质受到机械力作用而发生化学 反应或物理化学变化 的现象” ，从能量转换的观点可 以理解为机械能转变为化学能的过程 ，机械力激发的 化学反应 J 。机械力化学 理论 及方法多用 于新 材 料 的制备和改性 ，本文利用机械物理作用发生的物理 化学反应及机械力化学效应来 回收再生废 旧热 固性 塑料。 在强烈 的多种机械力及摩擦热的综合作用下 ，热 固性塑料内部分子链 断裂生成机械力活化原子基团， 即 自由基。网状交联 大分 子聚合 物随着分子链 的断 裂 ，形成更小的网状交联单元。交联密度下降，产生 低度交联的高聚物。废旧热固性塑料逐步再生 ，在一 定程度上提高了材料 的塑性成形能力，实现了热固性 塑料的再生 回收和循环再利用 J 。 机械力再生 的主要 目的是改善 回收材 料 的可塑 性 ，只有可塑性得到改善 ，热 固性塑料再次塑性成形 才有 可能 ，废 旧热 固性 塑 料才 具有 回收 再利 用 的 价值 。 2 机械 物理法再生工艺 废旧热固性塑料 的机械物理法再生工艺 ，一般经 过粗碎 、细碎筛分 、再生 、混合搅拌 、挤出和压塑成 型六个工艺步骤 ，其流程如图 1 所示 。 首先将废 旧的热固性塑料放人破粉碎装置中，对 其进行粗粉碎 ；而后进行二次粉碎 ，即细粉碎和筛分 工艺 ，获得粒度直径大于 2 0目 ( 相当于颗粒直径小 于0 8 3 mm)的粉末 ；二次粉碎后的粉末被送人降解 和再生装置 ，通过微细化再生处理 ，获得粒度直径大 于 2 0 0目 ( 相当于颗粒直径小于 7 5 m)的可塑性再 生粉末 ，再生粉末可以直接压塑成型获得新的酚醛再 生塑料制品，不过 由于再生制品的力学性能较差 、再 利用价值不高，所 以一般还要进行改善力学性能的工 艺 。接 下 来 向再 生 粉 末 中 加 入 热 塑 性 聚 氯 乙 烯 ( P V C )塑料 以及各种助剂 ( 抗 氧化剂、润滑剂 等) 进行搅拌混合 ，而后利用同向双螺杆挤出机将多成分 混合物挤出，获得面团状弹性混合物 ，最后通过压塑 成型获得力学性能较好的再生塑料制品。 废旧酚醛塑料制品 叫 酚醛塑料片状碎片卜 三 新的酚醛塑料制品) l 多成分混合物 I 挤压力作用l 挤出 L - - - - - - - - - - _ J -_-_-_-_一 t 面团状 弹性混合物 小粒惊片状碎片 t -肇 q 拌 厂 1 酚 醛 塑 料 再 生 粉 末 l = = = 图 1 机械 物理法 回收再 生_T艺流程 Fi g 1 Re c y c l i ng p r o c e s s b a s e d o n t h e me c ha ni c a l a nd ph y s i c a l me t ho d 3 机械物理法再生试 验 3 1 试验材料 、设备与方法 ( 1 )试验材料 ：废弃 的酚醛塑 料制品 ，其性 能 如表 1 所示 。酚醛塑料是以酚醛树脂为基础 ，其结构 中含有大量的苯环 、且具有较大的交联密度 ，所以酚 醛塑料具有较高的机械强度 、良好的 电性能 、硬度 高 、耐高温等性能 ，广泛应用于制造齿轮、轴承等结 构件 ，以及各种电气绝缘零件 ” 。 表 1 酚醛塑料的性能 T a b 1 P r o p e r t i e s o f B a k e l i t e 。 线膨胀系数 洛氏 导热系数 吸水率 热变形温度 1 0一 K 度 W ( m K ) 。 K 馊 度 ( ) ( 2 )试验 设 备 ：可 调 速 塑 料粉 碎 及 再 生试 验 机 ( 由课题组所在实验室 自主设计 ) ，S H J 一 2 0型 同向平行双螺杆挤 出机 ( 南京盛驰橡 塑机 械制造有 限公司) ，X L B 3 5 0 X型平板硫化机 ( 长征机器制造有 限公 司 ) 。 塑料工业 4 酚醛 塑料再 生制品的力学性能试验和分析 制作的测试试 样如 图 6所示 ，根 据 国标 G B T 1 0 4 0 -1 9 9 2测定试样 的拉 伸强度和抗 弯强度等机械 性能 。 ( 1 )拉伸性 能测试 ( 试验设备 ：MT S 。 8 1 0型液 压伺服材料试验机) 试验参数 ：加载速率 5 mm mi n ，试验 环境温度 2 1 ，湿度 4 5 。 拉伸试验 中，试样成分的粒度在 1 2 0目以上，试 样再生料添加 比例从 0 逐渐增加到 8 0 以上 ，当试 样的再生添加 比例为 4 5 时，测试试样 能承受的最 大载荷 4 9 3 5 N，承受 的最大拉应力 5 0 6 MP a ；当试 样的再生添加 比例为 7 5 时，测试试样 能承受的最 大载荷 1 2 8 0 N，承受 的最大拉应力 2 5 8 MP a 。 试验结果表明，随着酚醛塑料再生料添加 比例增 加 ，复合塑料再生制 品的拉伸强度有急剧 下降的趋 势 ，当添加 比例 3 0 4 0 范 围，拉伸强度不再下 降而小幅度波动 ，当添加比例继续增加 ，拉伸强度缓 慢上升 ，当添加 比例 5 0 6 0 范 围，这时酚醛再 生料成为复合塑料再生制品主体 ，拉 伸强度 1 82 5 M P a范围内波动 ，当添加 比例大于 7 0 时 ，拉伸强 度稳定在 2 5 M P a以上。 ( 2 )弯曲强度测试( 试 验设备 ：M T S 8 0 9型液 压伺服材料试验机) 试验参数 ：加载速率 1 ra m ra i n ，试验环境温度 2 1 ，湿 度 4 2 。 弯曲试验中，试样成分的粒度在 1 2 0目以上 ，试 样再生料添加 比例从 0 逐渐增加到 8 0 以上，当试 样的再生添加 比例为 5 0 时，测试试样能承受 的最 大载荷 1 2 4 N，承受的最大拉应力 5 8 5 MP a ；当试样 的再生添加 比例为 8 0 时，测试试样能承受 的最大 载荷 1 0 9 N，承受 的最大拉应力 5 3 M P a 。 试验结果表明，随着酚醛塑料再生料添加 比例增 加 ，复合塑料 再生制品的弯曲强度有急剧下 降的趋 势 ，当添加 比例 3 0 4 0 范围 ，弯 曲强度不再下 降 ，当添加比例继续增加 ，弯曲强度缓慢上升 ，当添 加 比例在 5 0 达到极点后缓慢下 降，这 时酚醛再 生 料成 为 复合 塑料 再 生制 品 主体 ，当添 加 比例 大 于 7 0 时 ，弯曲强度稳定在 5 1 MP a以上。 5 总结 热固性塑料在机械力及热的综合作用下，分子结 构和化学性质发生变化。同时机械能转化为热能，促 使键能较弱的分子结构发生断裂，生成新 的活性官能 团，使再生物料具备一定的可塑性。基于机械物理原 理的再生回收法 ，能够恢复材料的可塑性及可加工性 能，可 以实现热 固性塑料再次塑性成型而循环再利 用。通过酚醛塑料的粉碎及再生试验可知，添加一定 比例的 P V C混合 ，获得 的较好力学性能 的复合塑料 再生制 品。比添加 P P混合得到 的再生制品的力学性 能提高至少 4倍以上。 参考文 献 1 关成，姜子波，何松元，等中国塑料回收行业现状分 析及发展前景 J 塑料 ，2 0 0 9 ，3 8( 3 ) ：3 6 3 8 2 段志军，段望春，张瑞庆国内外复合材料 回收再利用 现状 J 塑料_丁业，2 0 1 1( 1 ) ：1 41 8 3 孙亚明废旧塑料回收利用的现状及发展 J 云南化 T ，2 0 0