本發(fā)明涉及廢橡膠再生技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種廢橡膠免化學試劑連續(xù)復原機及使用該設(shè)備制備再生膠的工藝方法。
背景技術(shù):
具有獨特性能的橡膠制品在社會中廣泛應用,由于其分子量巨大難以自然降解,大量的橡膠制品堆積造成“黑色污染”和資源浪費。我國是橡膠消費大國,但是受到氣候和地域的限制,國內(nèi)橡膠資源嚴重不足,因此實現(xiàn)廢舊橡膠的再生循環(huán)利用對解決“黑色污染”、填補橡膠資源匱乏具有重大意義。傳統(tǒng)的“高溫高壓動態(tài)脫硫”再生工藝具有能耗高、安全隱患嚴重,再生效果差、加工過程不連續(xù)等缺點,因而被逐漸取代。近年來興起的“以機代罐”技術(shù),使用螺桿擠出機使廢舊橡膠復原的生產(chǎn)工藝具有生產(chǎn)工藝簡單、綠色、環(huán)保、連續(xù)性強再生效果好等優(yōu)點。
中國專利文獻中,公布號為CN104129057A、名稱為一種廢橡膠連續(xù)化再生的解聯(lián)塑化機及工藝方法的文獻中公開了一種方案(具體內(nèi)容參見說明書全文),包括壓料機構(gòu)、解聯(lián)機構(gòu)、成型機構(gòu)三部分,廢舊橡膠從壓料機構(gòu)加入后,經(jīng)過解聯(lián)機構(gòu)的解聯(lián)作用后,在成型機構(gòu)中壓片成型。整個設(shè)備的核心在于由螺桿元件和驅(qū)動元件組成的解聯(lián)機構(gòu),螺桿元件包括轉(zhuǎn)子組、動靜組、斜齒輪組。該文獻中的方案加強了機械解聯(lián)效果,提高了再生效果,但是整機設(shè)備安裝復雜,在機筒上設(shè)計有靜盤組,加大了設(shè)備的加工難度和制備成本,并且生產(chǎn)過程中添加了化學試劑,容易造成再生產(chǎn)品的污染。
此外,中國專利文獻中,公布號為CN102977404B、名稱為一種雙階雙螺桿擠出機連續(xù)制備再生膠的方法的文獻中公開了一種方案(具體內(nèi)容參見說明書全文),將經(jīng)過預處理的廢膠粉先加入異向雙螺桿擠出機,擠出后進入同向雙螺桿擠出機再次進行剪切擠壓,制備的再生膠性能較好,但整個操作過程復雜,生產(chǎn)線長,重復進行升溫、降溫操作造成能源浪費。
超臨界流體技術(shù)是近30年發(fā)展起來的化工新技術(shù),具有優(yōu)異的溶解能力、傳質(zhì)能力、低粘度、高擴散性等優(yōu)點,在一定條件下可以將廢舊橡膠迅速溶脹,為廢舊橡膠復原提供了可能。
在中國專利文獻中,公布號為CN204454972U、名稱為一種廢舊膠粉的脫硫再生設(shè)備的文獻中公開了一種方案(具體內(nèi)容參見說明書全文),廢舊膠料在微波的作用下發(fā)生脫硫反應,接著進入第一擠出機,與第一擠出機相連的是超臨界流體輸送裝置,在超臨界流體促進再生試劑均勻的分散到廢舊膠粉中,將膠料進一步再生;第二擠出機用于將再生的膠料定型。整個生產(chǎn)過程中膠料受到長達十分鐘的脫硫作用,極易導致主鏈斷裂;而且生產(chǎn)線包括一臺電磁加熱裝置、兩臺擠出機、一臺超臨界流體輸送裝置,設(shè)備種類繁多,生產(chǎn)線冗長、一次性投資巨大。
在中國專利文獻中,公布號為CN202357411U、名稱為一種超臨界流體輔助加工成套設(shè)備的文獻中公開了一種加工熱塑性樹脂的輔助設(shè)備,該套設(shè)備主要用于超臨界流體取代增塑劑,降低熱塑性樹脂的加工難度。其應用范圍窄,不能為廢橡膠復原提供足夠的剪切力。
綜上所述,現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝不能滿足廢橡膠再生的要求,因此,迫切需要一種新的生產(chǎn)設(shè)備和工藝來替代現(xiàn)有的設(shè)備和工藝。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種廢橡膠連續(xù)復原機及復原工藝,以達到復原過程中無任何化學試劑添加,生產(chǎn)能耗低,廢舊橡膠復原質(zhì)量好,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,操作工序少,產(chǎn)業(yè)投資低的目的。
為達到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種廢橡膠連續(xù)復原機,包括復原機主機、超臨界流體制備與注入裝置,以及溫控系統(tǒng),所述復原機主機包括機架、位于機架上的機筒、電機和傳動系統(tǒng),所述機筒內(nèi)設(shè)置有與傳動系統(tǒng)相連的復原機雙螺桿,所述機筒上設(shè)置喂料機構(gòu),所述復原機雙螺桿包括壓料區(qū)、軟化區(qū)、超臨界流體注入?yún)^(qū)、復原區(qū)和擠出區(qū)五個功能區(qū);所述壓料區(qū)包括單頭變導程螺紋元件一;所述軟化區(qū)包括嚙合塊一、嚙合塊二以及位于嚙合塊一和嚙合塊二之間的單頭螺紋輸送元件;所述超臨界流體注入?yún)^(qū)包括降壓元件,所述降壓元件為單頭螺紋元件;所述復原區(qū)包括按膠料運動方向依次連接的單頭變導程螺紋元件二、嚙合塊三、雙頭反向螺紋元件一、雙頭螺紋輸送元件一、嚙合塊四、雙頭反向螺紋元件二、雙頭螺紋輸送元件二、大導程螺紋元件和雙頭螺紋輸送元件三;所述擠出區(qū)包括均化元件和雙頭變導程螺紋元件,所述均化元件為螺棱上開有槽口的雙頭螺紋元件。
上述方案中,所述單頭變導程螺紋元件一和單頭變導程螺紋元件二的導程沿著膠料的運動方向逐漸變??;所述單頭變導程螺紋元件一的最大導程尺寸與螺棱外徑相同,最小導程的尺寸為最大導程尺寸的三分之二;所述單頭變導程螺紋元件二的最大導程不超過螺棱外徑,最小導程不低于螺棱外徑的三分之二。
上述方案中,所述嚙合塊一和嚙合塊二是由7個8mm厚的二頭嚙合塊按照30°的錯列角拼接組成,所述嚙合塊三和嚙合塊四是由六個8mm厚的二頭嚙合塊按照30°的錯列角拼接組成。
上述方案中,所述超臨界流體注入?yún)^(qū)的單頭螺紋元件的導程與螺棱外徑的尺寸相同。
上述方案中,所述擠出區(qū)的雙頭變導程螺紋元件的最大導程為螺棱外徑的四分之三,最小導程比最大導程少10mm。
進一步的方案中,所述槽口的開口方向與所在螺棱垂直,且槽口在膠料流動方向上的體積逐漸減小。
進一步的技術(shù)方案中,所述復原機雙螺桿為同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿,雙螺桿同向旋轉(zhuǎn)剪切速率更大。
一種廢橡膠連續(xù)復原機的復原工藝,包括如下工藝過程:
(1)進入復原機主機的廢舊膠料在復原機雙螺桿的摩擦拖曳作用下向前輸送,由于壓料區(qū)的導程逐漸變小,膠料變密實,為膠料的運動提供足夠的背壓向前輸送;
(2)進入軟化區(qū)的膠料首先經(jīng)過嚙合塊一的剪切拉伸作用,實現(xiàn)初步軟化后經(jīng)過單頭螺紋輸送元件的輸送進入嚙合塊二中,實現(xiàn)進一步軟化;
(3)軟化后的膠料在超臨界流體注入?yún)^(qū)內(nèi)部的降壓元件提供的大空間內(nèi)與超臨界流體接觸,充分溶脹;
(4)進入復原區(qū)內(nèi),溶脹的膠料在嚙合塊三中受到剪切撕裂和拉伸作用,經(jīng)過雙頭反向螺紋輸送元件一的作用下,膠料的停留時間得以延長,達到初步復原的效果;初步復原的膠料經(jīng)過雙頭螺紋輸送元件一,再次進入嚙合塊四和雙頭反向螺紋元件二中進行補充剪切撕裂和拉伸,雙頭螺紋輸送元件二將補充復原的膠料輸送到大導程螺紋元件中,進行最終的復原反應,完全復原的膠料經(jīng)雙頭螺紋輸送元件三進入擠出區(qū);
(5)在擠出區(qū)的均化元件中,經(jīng)槽口形成的不規(guī)則流動充分混合后,經(jīng)過雙頭螺紋元件從復原機主機中擠出,完成整個復原反應。
上述方案中,超臨界流體與廢橡膠的質(zhì)量比為0.005~0.02,復原機雙螺桿的轉(zhuǎn)速為40~80r/min,復原機雙螺桿壓料區(qū)的溫度控制在50~80℃,軟化區(qū)的溫度控制在90~110℃,超臨界流體注入?yún)^(qū)和復原區(qū)的溫度控制在120~150℃,擠出區(qū)的溫度在60℃~80℃。
通過上述技術(shù)方案,本發(fā)明提供的廢橡膠連續(xù)復原機及復原工藝利用復原機提供的可控拉伸剪切協(xié)同作用,在超臨界環(huán)境下選擇性打斷廢舊橡膠中的C-S、S-S交聯(lián)鍵,實現(xiàn)廢舊橡膠的復原。本方案的優(yōu)勢在于復原過程中無任何化學試劑添加,生產(chǎn)能耗低,廢舊橡膠復原質(zhì)量好,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,操作工序少,產(chǎn)業(yè)投資低。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
圖1為本發(fā)明實施例所公開的一種廢橡膠連續(xù)復原機的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明實施例所公開的復原機主機的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本發(fā)明實施例所公開的復原機雙螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本發(fā)明實施例所公開的軟化區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為本發(fā)明實施例所公開的復原區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6為本發(fā)明實施例所公開的均化元件在圓周方向上的展開示意圖。
圖中,Ⅰ、壓料區(qū);Ⅱ、軟化區(qū);Ⅲ、超臨界流體注入?yún)^(qū);Ⅳ、復原區(qū);Ⅴ、擠出區(qū);1、復原機主機;2、超臨界流體制備與注入裝置;3、溫控系統(tǒng);4、機架;5、機筒;6、電機;7、傳動系統(tǒng);8、復原機雙螺桿;9、喂料機構(gòu);10、單頭變導程螺紋元件一;11、嚙合塊一;12、嚙合塊二;13、單頭螺紋輸送元件;14、降壓元件;15、單頭變導程螺紋元件二;16、嚙合塊三;17、雙頭反向螺紋元件一;18、雙頭螺紋輸送元件一;19、嚙合塊四;20、雙頭反向螺紋元件二;21、雙頭螺紋輸送元件二;22、大導程螺紋元件;23、雙頭螺紋輸送元件三;24、均化元件;25、雙頭變導程螺紋元件;26、槽口。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
本發(fā)明提供了一種廢橡膠連續(xù)復原機及復原工藝,具體實施例如下:
如圖1所示,一種廢橡膠連續(xù)復原機,包括復原機主機1、超臨界流體制備與注入裝置2,以及溫控系統(tǒng)3。如圖2所示,復原機主機1包括機架4、位于機架4上的機筒5、電機6和傳動系統(tǒng)7,機筒5內(nèi)設(shè)置有與傳動系統(tǒng)7相連的同向旋轉(zhuǎn)的復原機雙螺桿8,機筒5上設(shè)置喂料機構(gòu)9;機筒5與復原機雙螺桿8共同組成擠壓系統(tǒng),完成對膠料的固體輸送、軟化、復原和擠出。
如圖3所示,復原機雙螺桿8包括實現(xiàn)連續(xù)喂料的壓料區(qū)、將膠料軟化并建壓的軟化區(qū)、為超臨界流體與廢舊橡膠充分接觸提供足夠空間的超臨界流體注入?yún)^(qū)、在超臨界環(huán)境下在復原機雙螺桿的剪切拉伸協(xié)同作用下充分復原的復原區(qū)、復原膠均勻穩(wěn)定擠出的擠出區(qū)五個功能區(qū)。
壓料區(qū)Ⅰ包括一對單頭變導程螺紋元件一10,單頭變導程螺紋元件一10的結(jié)構(gòu)特點是在螺槽深度不變的條件下,螺紋段導程逐漸變小,從而減小螺槽體積。單頭變導程螺紋元件一10的最大導程尺寸與螺棱外徑相同,最小導程的尺寸為最大導程尺寸的三分之二。進入復原機主機1的廢舊膠料在復原機雙螺桿8的摩擦拖曳作用下向前輸送,并由于螺槽體積的變小不斷的密實,這為膠料的運動提供足夠的背壓;相互配合的兩個螺桿部分嚙合,理論上無法做到縱向開放、橫向封閉,但通過調(diào)整螺棱結(jié)構(gòu),減少膠料在橫向上的運動能力,保證了復原機雙螺桿對膠料有良好的輸送能力。
如圖4所示,軟化區(qū)Ⅱ包括嚙合塊一11、嚙合塊二12以及位于嚙合塊一11和嚙合塊二12之間的單頭螺紋輸送元件13,嚙合塊一11和嚙合塊二12是由7個8mm厚的二頭嚙合塊按照30°的錯列角拼接組成。硫化后的橡膠硬度大,難以變形,軟化所需要的熱量由機筒的熱傳遞和膠料受到剪切作用產(chǎn)生的塑性耗散提供的,嚙合塊的厚度和個數(shù)的增加,有利于提高對膠料的剪切作用,提高軟化效率。嚙合塊本身是一種耗壓元件,將嚙合塊與單頭螺紋輸送元件配合使用,在發(fā)揮了嚙合塊的剪切作用優(yōu)勢的前提下,在膠料流動過程中建立壓力,保證了復原機雙螺桿對膠料的良好輸送能力。膠料在流經(jīng)嚙合塊之間的間隙時,受到嚙合塊螺棱之間的剪切作用,由于粘性耗散產(chǎn)生的熱量加速了膠料的軟化,單頭螺紋輸送元件的導程與單頭變導程螺紋元件一的最小導程一致,保證了雙螺桿的輸送能力,避免了局部剪切過大,導致分子鏈降解嚴重。
超臨界流體注入?yún)^(qū)Ⅲ包括降壓元件14,降壓元件14為單頭螺紋元件,單頭螺紋元件的導程與螺棱外徑的尺寸相同。相比于其他螺紋元件,通過加大導程,使它具有更大的螺槽體積,保證前面壓實的膠料中蜷縮的分子鏈有足夠的空間實現(xiàn)伸張,實現(xiàn)膠料松散,松散的膠料與超臨界流體接觸面積變大,有利于提高超臨界流體在膠料中的擴散能力,保證廢橡膠的溶脹效果。
如圖5所示,復原區(qū)Ⅳ包括按膠料運動方向依次連接的單頭變導程螺紋元件二15、嚙合塊三16、雙頭反向螺紋元件一17、雙頭螺紋輸送元件一18、嚙合塊四19、雙頭反向螺紋元件二20、雙頭螺紋輸送元件二21、大導程螺紋元件22和雙頭螺紋輸送元件三23。單頭變導程螺紋元件二15的導程沿著膠料的運動方向逐漸變小,單頭變導程螺紋元件二15的最大導程不超過螺棱外徑,最小導程不低于螺棱外徑的三分之二。嚙合塊三16和嚙合塊19四是由六個8mm厚的二頭嚙合塊組成,減少嚙合塊的頭數(shù)是為了局部降低溶脹后的膠料受到的分散混合作用,避免膠料在局部受到過大的剪切力導致分子量的銳減。該區(qū)域的二頭嚙合塊的錯列角為30°,具有良好的軸向輸送能力和剪切作用,嚙合塊與嚙合塊之間間隙為2mm,嚙合塊與機筒內(nèi)壁之間間隙為0.5mm,在嚙合塊之間的嚙合區(qū)域一個嚙合塊的盤頂與另一個嚙合塊的盤根構(gòu)成體積可以發(fā)生變化的封閉區(qū)域,在這些區(qū)域里膠料受到不斷變換的剪切撕裂和拉伸作用,實現(xiàn)廢舊膠料的初步復原。與嚙合塊直接相連的是反向螺紋元件,起到延長膠料在復原機內(nèi)部停留時間的作用。嚙合塊四19與雙頭反向螺紋元件二20起到補充復原的作用;大導程螺紋元件22的結(jié)構(gòu)設(shè)計受密煉機嚙合型轉(zhuǎn)子的啟發(fā),一個大導程螺紋元件的螺棱與另一個大導程螺紋元件的螺槽構(gòu)成變體積區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)膠料受到反復的擠壓與撕裂作用,使廢舊膠料完成最終的復原反應。
擠出區(qū)Ⅴ的功能在于將復原的膠料均勻連續(xù)的擠出,包括均化元件24和雙頭變導程螺紋元件25,均化元件24為螺棱上開有槽口26的雙頭螺紋元件。參見圖6,槽口26的開口方向與所在螺棱垂直,且槽口26在膠料流動方向上的體積逐漸減小。槽口26的設(shè)計強化了膠料的回流效果,有利于將復原膠料混合均勻,并且體積逐漸減小的槽口26使復原膠料在流過的時候發(fā)生體積變換,起到補充復原的作用;而且膠料在流經(jīng)體積變化的槽口26時受到的拉伸作用有打斷少數(shù)尚未完全復原的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的作用。雙頭變導程螺紋元件25的最大導程為螺棱外徑的四分之三,最小導程比最大導程少10mm,導程變化有利于軸向壓力的建立,膠料穩(wěn)定擠出。
一種廢橡膠連續(xù)復原機的復原工藝,包括如下工藝過程:
將廢橡膠粉加入喂料機構(gòu),開啟連續(xù)復原機主機1,膠料在自身重力及喂料機構(gòu)的作用下進入機筒4,在復原機雙螺桿8的摩擦拖曳作用下向前輸送,當有膠料被連續(xù)均勻擠出時開啟超臨界流體制備及注入裝置2。超臨界流體與廢橡膠的質(zhì)量比為0.005~0.02,復原機雙螺桿8的轉(zhuǎn)速為40~80r/min,壓料區(qū)Ⅰ的溫度控制在50~80℃,軟化區(qū)Ⅱ的溫度控制在90~110℃左右,超臨界流體注入?yún)^(qū)Ⅲ和復原區(qū)Ⅳ的溫度控制在120~150℃左右,擠出區(qū)Ⅴ的溫度在60℃~80℃。
進入復原機主機1的廢舊膠料按照如下過程完成整個復原工藝:
(1)進入復原機主機1的廢舊膠料在復原機雙螺桿8的摩擦拖曳作用下向前輸送,由于壓料區(qū)Ⅰ的導程逐漸變小,膠料變密實,為膠料的運動提供足夠的背壓向前輸送;
(2)進入軟化區(qū)Ⅱ的膠料首先經(jīng)過嚙合塊一11的剪切拉伸作用,實現(xiàn)初步軟化后經(jīng)過單頭螺紋輸送元件13的輸送進入嚙合塊二12中,實現(xiàn)進一步軟化;
(3)軟化后的膠料在超臨界流體注入?yún)^(qū)Ⅲ內(nèi)部的降壓元件14提供的大空間內(nèi)與超臨界流體接觸,充分溶脹;
(4)進入復原區(qū)Ⅳ內(nèi),溶脹的膠料在嚙合塊三16中受到剪切撕裂和拉伸作用,經(jīng)過雙頭反向螺紋元件一17的作用下,膠料的停留時間得以延長,達到初步復原的效果;初步復原的膠料經(jīng)過雙頭螺紋輸送元件一18,再次進入嚙合塊四19和雙頭反向螺紋元件二20中進行補充剪切撕裂和拉伸,雙頭螺紋輸送元件二21將補充復原的膠料輸送到大導程螺紋元件22中,進行最終的復原反應,完全復原的膠料經(jīng)雙頭螺紋輸送元件三23進入擠出區(qū);
(5)在擠出區(qū)的均化元件24中,經(jīng)槽口26形成的不規(guī)則流動充分混合后,經(jīng)過雙頭變導程螺紋元件25從復原機主機1中擠出,完成整個復原反應。
膠料復原后被擠出精煉成型,最終停放入庫。
具體實施例一:
反應條件:超臨界流體與廢橡膠的質(zhì)量比為1:100,復原機雙螺桿8的轉(zhuǎn)速為60r/min,壓料區(qū)Ⅰ的溫度控制在70℃,軟化區(qū)Ⅱ的溫度控制在100℃,超臨界流體注入?yún)^(qū)Ⅲ和復原區(qū)Ⅳ的溫度控制在135℃,擠出區(qū)Ⅴ的溫度為70℃。
經(jīng)實驗測定,復原膠的性能:灰分=7.0%,丙酮抽出物=17.0%,門尼粘度ML100℃(1+4min)=45;按照GB/T13460-2008再硫化配方硫化,得硫化膠力學性能如下:拉伸強度=15.3MPa,拉斷伸長率=474.47%。
具體實施例二:
反應條件:超臨界流體與廢橡膠的質(zhì)量比為2:100,復原機雙螺桿8的轉(zhuǎn)速為80r/min,壓料區(qū)Ⅰ的溫度控制在55℃,軟化區(qū)Ⅱ的溫度控制在90℃,超臨界流體注入?yún)^(qū)Ⅲ和復原區(qū)Ⅳ的溫度控制在125℃,擠出區(qū)Ⅴ的溫度為60℃。
經(jīng)實驗測定,復原膠的性能:灰分=6.5%,丙酮抽出物=16.2%,門尼粘度ML100℃(1+4min)=40;按照GB/T13460-2008再硫化配方硫化,得硫化膠力學性能如下:拉伸強度=14.9MPa,拉斷伸長率=500.07%。
具體實施例三:
反應條件:超臨界流體與廢橡膠的質(zhì)量比為1:100,復原機雙螺桿8的轉(zhuǎn)速為50r/min,壓料區(qū)Ⅰ的溫度控制在75℃,軟化區(qū)Ⅱ的溫度控制在110℃,超臨界流體注入?yún)^(qū)Ⅲ和復原區(qū)Ⅳ的溫度控制在145℃,擠出區(qū)Ⅴ的溫度為75℃。
經(jīng)實驗測定,復原膠的性能:灰分=7.2%,丙酮抽出物=17.4%,門尼粘度ML100℃(1+4min)=48;按照GB/T13460-2008再硫化配方硫化,得硫化膠力學性能如下:拉伸強度=15.7MPa,拉斷伸長率=468.98%。
說明:國家特級Al標準:灰分≤10%,丙酮抽出物≤18%,門尼粘度ML100℃(1+4min)≤95,拉伸強度≥14.0Mpa,扯斷伸長率≥420%。
對所公開的實施例的上述說明,使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的,本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下,在其它實施例中實現(xiàn)。因此,本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例,而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。