废旧轮胎胶粉制备技术的研究

废旧轮胎胶粉制备技术的研究 分类号: TH12 10710-2009125082 硕 士 学 位 论 文 废旧轮胎 胶粉制备 技术的研 究 侯 琨 导师姓名 职称 康敬东 副 教授 申请学位 级别 工学硕士 学科专业 名称 机械设计 及理论 提交 日期 2012 年 5 月 30 日 论文答辩 日期 2012 年 6 月 7 日 学位授予 单位 长安大学Study on the Preparation Technology of the RubberPowder of Discarded TiresA Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate :Hou Kun Supervisor :Prof. Kang Jingdong Chang’an University, Xi’an, China 摘 要 在我国,每年产生的废旧轮胎大约为 1.4 亿条,而且每年以两位数的速度在增长。如果对这 些废旧轮胎处理不当,就会产生严重环境污染问题,同时也造成了橡胶资源 的严重浪费。将废旧 轮胎制成胶粉不但解决了废旧轮胎的环境污染问题,而且还产生了一种再利用资源,使橡胶资源 的综合利用在一定程度上得到了可持续发展。我国是一个橡胶资源极为匮乏的国家,所以对废旧 橡胶如何再回收利用显得更为重要, 故对胶粉制备技术的研究具有重要的战略意义。 本论文研究的内容和思路如下: (1 ) 通 过 对 废 旧 轮 胎 粉 碎 方 法 的 对 比 分 析 以 及 对 废 旧 轮 胎 常 温 粉 碎 工 艺 过 程 的 研 究 , 结 合 废旧轮胎的特性,设计了废旧轮胎胶粉常温法的制备工艺流程; (2)研究了废旧橡胶常温粉碎机 理,介绍了物料的粉碎模型理论与物料的粉碎极限理论; (3)通过对胶粉制备成套设备的配置问 题的研究,制定了成套设备配置流程图,建立了设备配置模型,并且对设备配置评价模型进 行了相应的计算分析; (4)根据胶粉“ 质” 与“ 量”的要求,确定了废旧轮胎辊压粉碎机的主要结构 参数和工作参数, 通过实例计算分析的方法, 分析了粉碎机辊转速n 和辊间隙e 与生产能力Q 之 间 的 关 系 ; (5 ) 通过 对辊压粉碎机粉碎过程的进一步研究, 将废旧橡胶的粉碎过程分为 3 个阶段: 大胶粒单颗粒粉碎阶段、小胶粒层压粉碎阶段和胶粉回弹阶段,并且建立废 旧橡胶辊压机粉碎过 程的力学模型,进一步对粉碎过程进行了理论分析; (6)建立 了废旧轮胎辊 压机粉碎过程矩阵模 型,分析了胶料被粉碎前后 其粒径及粒径分布的变化规律 。 本 文 对 废 旧 轮 胎 胶 粉 制 备 技 术 的 研 究 为 胶 粉 制 备 技 术 的 理 论 研 究 与 试 验 研 究 提 供 了 理 论 依 据 ,对胶粉制备技术的研究具有理论意义和现实意义。 关键词:废旧轮胎胶粉,常温粉碎,设备配置, 粉碎机,数学模型 II Abstract In our country, the discarded tires produced is about 140 million annually, and is growing at double-digit rates. Making waste tires into rubber powder not only solve the problem of scrap tire’s pollution, but also produce a kind of recycled resource, to the extent which makes comprehensive utilization of rubber resources to get the sustainable development. Because our country is extremely short of rubber resource ,it is more important for how to recycle waste rubber. For this reason , the powder preparation technology research has an important strategic significanceThe research ideas of this papers are as follows:1Through the comparative analysis of scrap tire crushing way and the research of normal temperature crushing process of scrap tire, combining the characteristics of waste tires, design the normal temperature method of preparation process of the scrap tire rubber powder;2 Research the normal temperature crushing mechanism of waste rubber, this paper introduces the model theory and limit theory of material crushing;3 Through the research of allocation problem of complete sets of equipment of the powder preparation, formulate the flow chart of complete sets of equipment configuration, set up the equipment configuration evaluation model, and carry out corresponding calculation analysis of the equipment configuration evaluation model; 4According to the requirement of the rubber powder's "quality" and "quantity" , confirming the main structure parameters and working parameters of the waste tyre roller mill , and analysing the relationship between the roller rotate speed 'n',roller clearance 'e' and production capacity 'Q' by the calculation of a living example analysis method;5Through further study of the roller mill's shattered Process , the waste rubber crushing process is divided into three stages: the crushing stage of Large colloidal particle-Single Grain, the crushing stage of small particle laminated and powder rebound stage, and establishing force model of the crushing process of the waste rubber roller machine,making further analysing to the crushing process;6establishing matrix model of the crushing process of the waste rubber roller machine,analysing Powder particle size of before IIIand after crushing crushed and the variation of powder particle sizeIn this paper, studying on the preparation technology of the rubber powder of discarded tires provides theoretical foundation for the technology of theoretical research and experimental study and has theoretical significance and practical significance Key words: the rubber powder of discarded tires; normal temperature gringding; equipment configuration; grinder; mathematical model IV 目录 第 一 章 绪论1 1.1 研究的背景和意义1 1.2 废旧轮胎胶粉的制备技术的研究现状2 1.2.1 国外研究现状2 1.2.2 国内研究现状3 1.3 废旧轮胎胶粉的制备方法. 5 1.3.1 常温粉碎法. 5 1.3.2 低温粉碎法. 5 1.3.3 湿法或溶液粉碎法6 1.3.4 固相剪切粉碎技术7 1.3.5 臭氧粉碎法. 7 1.3.6 电磁冲击粉碎法. 7 1.4 论文研究内容7 第 二 章 废 旧 橡 胶 粉 碎 工 艺 对 比 研 究 与 设 计. 9 2.1 三种胶粉制造方法的对比研究. 9 2.1.1 胶粉制造方法对胶粉性能的影响9 2.1.2 胶粉制造方法对粒径和粒径分布的影响. 9 2.1.3 胶粉的制造方法对胶粉的形状和面状态的影响10 2.1.4 胶粉的制造方法对胶粉性质的影响10 2.1.5 不同胶粉的制造方法生产出的胶粉及其粒径对胶料性能的影响11 2.1.6 胶粉的制造方法对生产成本的影响12 2.2 废旧轮胎常温粉碎法的工艺研究 13 2.2.1 废旧轮胎的常温辊筒粉碎法 14 2.2.2 废旧轮胎的连续粉碎法 15 2.2.3 胶粉的挤出粉碎法 16 2.2.4 胶粉的高压粉碎法 16 2.3 废旧橡胶常温粉碎工艺的设计与研究 17 2.3.1 废旧橡胶常温粉碎工艺的要求 17 2.3.2 废旧轮胎常温粉碎工艺的研究与设计 18 2.3.3 废旧轮胎常温粉碎工艺流程 19 2.4 本章小结 20 V 第 三 章 废 旧 橡 胶 常 温 粉 碎 机 理 的 研 究. 21 3.1 橡胶的性质21 3.1.1 橡胶的基本特性21 3.1.2 橡胶的力学特性22 3.1.3 橡胶的断裂性质23 3.2 胶粉的性质23 3.2.1 胶粉的分类及主要用途 23 3.2.2 胶粉的表面形态及表面性质 24 3.2.3 胶粉的成分24 3.2.4 胶粉的物理机械性能24 3.3 物料粉碎理论简述 25 3.3.1 粉碎方法 25 3.3.2 粉碎模型 26 3.4 物料的破碎原理及其粉碎过程机理27 3.4.1 材料的破碎原理27 3.4.2 材料的粉碎过程机理27 3.4.3 材料的粉碎极限理论28 3.5 本章小结 30 第 四 章 废 旧 轮 胎 常 温 粉 碎 成 套 设 备 的 配 置 研 究. 31 4.1 概述 31 4.1.1 设备配置的原则 31 4.1.2 设备配置研究的主要内容 32 4.1.3 设备配置的要求 33 4.2 废旧轮胎胶粉制备各环节设备配置分析34 4.2.1 废旧轮胎的预处理阶段 34 4.2.2 废旧橡胶的粗碎和细碎阶段 37 4.2.3 胶粉的分级与计量包装阶段 38 4.3 胶粉制备过程设备配置的计算分析39 4.3.1 胶粉制备设备的配置过程研究39 4.3.2 胶粉制备成套设备配置的评价模型40 4.3.3 设备配置评价模型的计算分析41 4.3.4 粉碎设备与筛分设备协调性的分析与研究 43 4.3.5 比例数K 的计算与分析 45 VI 4.4 本章小结 46 第 五 章 废 旧 轮 胎 辊 压 机 的 设 计 计 算 47 5.1 废旧轮胎辊压机47 5.1.1 废旧轮胎辊压机的工作原理 47 5.1.2 废旧轮胎辊压机的主要结构 47 5.2 废旧轮胎辊压机的主要参数的确定49 5.2.1 原始数据 49 5.2.2 粉碎比i49 5.2.3 辊压机辊筒的转速n 49 5.2.4 辊压机规格尺寸的确定 50 5.2.5 电机功率N51 5.3 废旧轮胎辊压机辊筒的三维模型 51 5.4 实例分析 52 5.5 本章小结 54 第 六 章 辊 压 机 粉 碎 过 程 数 学 模 型 的 建 立55 6.1 料层的压缩-反弹特性 55 6.2 废旧轮胎辊压机粉碎过程的研究 56 6.2.1 大胶粒单颗粒粉碎阶段 56 6.2.2 小胶粒层压粉碎阶段57 6.2.3 胶粉回弹阶段 57 6.3 废旧轮胎辊压机粉碎过程力学模型的建立 58 6.3.1 大胶粒单颗粒粉碎阶段 59 6.3.2 小胶粒层压粉碎阶段61 6.3.3 胶粉的回弹阶段62 6.3.4 辊筒表面的受力分析63 6.4 废旧橡胶粉碎过程矩阵模型的建立63 6.4.1 废旧橡胶粉碎过程静态矩阵模型 64 6.4.2 废旧轮胎粉碎过程动态矩阵模型 67 6.5 本章小结. 67 结 论 与 展 望69 结论69 VII 展望70 参 考 文 献 71 致 谢 75 VIII 第一章 绪论 1.1 研 究的 背景和意 义 随着全世界工业化进程的不断发展, 尤其是运输行业以及汽车行 业的迅猛 发展, 各 类汽车的数量急剧增加。 随之而来的不仅仅是堵车和尾气污染带来的问题, 如何更好的 处理每年所产生的大量废旧轮胎已经成为人类面临的迫切需要解决的问题。 据有关资料 统计,在美国,每年大约会产生 2.7 亿条废旧轮胎,日本也有 1 亿多 条,我 国每年产生 的废旧轮胎大约为 1.4 亿条,并且每年以两位数的速度在增长。所以,废旧橡胶制品特 别是废旧轮胎回收加工利用是极为重要的, 为了保护人类生存环境, 减少废旧橡胶对环 境的污染, 实现废旧橡胶, 特别是废旧轮胎回收加工利用是各国各政府的当务之急。 世 界各国都在积极的对此进行研究, 希望找 到合理的解决方法, 胶粉的制备不仅可以处理 废旧轮胎而且还可以再回收利用的目的。这样,不但解决了废旧轮胎的环境污染问题, 而且还产生了一种可再生利用的资源, 使橡胶资源的综合利用在一定程度上得到了和谐 [1,2] [3] 可持续发展 。如表 1.1 所示,世界各国对废旧轮胎回收利用情况 。 表 1.1 世界各 国 废 旧橡胶 利 用 现状 处理方法 美国 英国 法国 德国 意大利 比利时 荷兰 瑞典 轮胎翻新/% 3.7 31 20 31 22 20 60 5 回收/% 33.4 16 16 11.5 12 10 12 12.5 能源/% 52.7 27 15 46.5 23 30 28 64 填埋/% 0 23 5 4 40 5 0 5 出口/% 6.9 2.5 44 16 2 25 0 7 废旧轮胎,通常被称为 “黑色污染” , 其来源包括被替换或淘汰下来已失去轮胎使用 价值的轮胎和工厂生产的报废轮胎两种形式。 废旧轮胎由于是一种具有很强的抗热、 抗 生 物 、 抗 机 械 性, 并 且 难 以 降 解 的 不 熔 或 难 熔 的 高 分 子 材 料 。 若 长 期 堆 放 在 露 天 不 予 以 合 理 的 处 理, 不 但 占 用 大 量 的 土 地 面 积, 而 且 很 容 易 滋 生 蚊 虫 和 各 种 疾 病, 还 可 以 引 发 火 灾。 但是,废旧轮胎还可以被作为一种可再 生资源, 通常称之为 “黑色金矿” 。 对一条旧 的 轮 胎 经 过 多 次 翻 新 后 还 可 以 被 重 复 使 用, 而 翻 新 所 消 耗 的 原 料 只 相 当 于 生 产 一 条 同 规 1 第一章 绪论 格新轮胎的 15% ~30% 。废旧轮胎经过粉碎之后可得到,16% ~24% 的钢丝为优质弹簧 的原料,58% ~60% 的橡 胶 混 合 物可 生 产 橡 胶粉 和 再 生 胶, 其 产 品 可以 广 泛 应 用于 橡 胶 、 化工、 交通和城建等国民经济重要 意义的产业,成为重要的二次可利用资源。 所以,如何 充 分 合 理 的 利 用 我 国 的 废 旧 轮 胎, 节 约 橡 胶 资 源, 防 止 环 境 污 染, 是 中 国 社 会 经 济 可 持 续 发展必须解决的问题。 在 废 旧 轮 胎 如 何 充 分 合 理 的 利 用 问 题 上 , 我 国 政 府 在 政 策 上 也 给 与 了 一 些 支 持 。 2009 年 1 月 1 日我国开始实行的《资源综合利用产品和再生资源增值税》新政中提到, 胶粉和翻胎企业享受免征增值税的优惠政策, 但是再生胶企业却被排除在这些优惠政策 之外。 原因是由于再生胶在生产过程中所需能耗高、 工艺复杂、 环境污染严重问题而阻 [5] 碍其发展 。 在西方发达国家, 传统的再生胶工业已成为 “朝阳工业” , 所以我国也逐渐 [4,6] 重视资源可以循环利用且无污染的胶粉工业 。 我国是一个橡胶应用大国, 目前年消耗生胶近 600 万吨, 居世界第一, 同时也是一 个橡胶资源短缺的国家, 几乎每年橡胶消费的 45% 左右需要进口, 而且在短时期内这种 状况很难改变。 因此, 如何处理好废旧橡胶, 尤其是对废旧轮胎的正确处理, 如何充分 利用再生资源, 从而摆脱自然资源匮乏, 减少环境污染, 改善我们的生存环境具有重要 [7] 意义 。所 以,胶粉生产的研究与应用对一个国家来说具有举足轻重的地位。 1.2 废 旧轮 胎胶粉的 制备技术 的研究现 状 1.2.1 国外研究现状 对于废旧轮胎的再利用, 发达国家备受关注, 他们对废旧橡胶利用不同于我国, 他 们的结构形式为, 以国家和地方的法规为基础, 以进入市场的生命力和有关公司对该市 场的作用力为杠杆, 以相关组织为纽带进行系统工作 , 废橡胶加工的产业均为胶粉, 其 [9] 终端产品是,在橡胶制品(包括轮船)和沥青改性的应用 。 在胶粉制造方法中已工业化的有三种: 常温工艺的滚筒齿盘式、 湿法工艺的酸碱破 酸 性 中 和 、水 洗 、 带 滤干 燥 工 艺 及液 氮 (LN ) 深 冷 锤 击粉 碎 。 新 工艺 方 法 有 两种 :臭 2 氧 粉 碎 和 高 压 爆 破 粉 碎 。 其 中 臭 氧 粉 碎 可 获 得 胶 粉 最 细 可 达 到 0.4mm; 主 要 部 分 粒 经 为 10~16 目,占 32% 左右,最大粒经为 2~4 目。 该方法可为年产万吨胶粉生产厂进行前期配 [8] 置,工装采用引进方式,并来自俄罗 斯 。 2 在废旧轮胎粉碎方面, 国外一开始采用冷冻粉碎法, 并已工业化, 但是 冷冻粉碎法 需要大量高昂的液氮, 成本太高, 所以现在大都对常温粉碎做了大量的研究并加以应用。 韩国国立庆尚大学弹性体研究室对常温粉碎法处理废旧轮胎经过了 10 年的研究工作,成 功研制出了 WTPS Waste Tire Powder System 小型实 验室胶粉加工系统。采用该方法在 常温下可获得 80 目细 度的胶粉,并且采用超声波和臭氧活化功能使胶粉粒子表面活性增 加, 这样可改善胶粉颗粒与其基质材料的粘合。此外还有废旧轮胎的常温连续粉碎法, 该法是由日本神户制钢所研制开发的, 日本关西株式会社采用该方法建成了工业化胶粉 生产线。这种常温连续粉碎法主要分为粗碎和细碎 2 个 主要工序,采用的粉碎设备是一 种 旋 盘 式 粉 碎 机 。 这 种 粉 碎 机 不 但 用 作 对 废 旧 橡 胶 的 粗 碎, 也 可 用 作 细 碎 胶 粒 。 这 种 方 法先是采用轮胎切割机将废旧轮胎切割成 6~10mm 胶块 ,然后使用旋盘式粉碎机进行 粗碎和细碎,最后可以生产出粒径在 1mm 以 下的胶粉。美国 EURECTEC 公 司 也成功研 制出了一种常温粉碎装置。 其生产过程的主要特点是经过粗碎后的胶粉再通过三段细碎 和在粉碎过程中增加了脱硫加工方法, 从而可以生产出粒径在 0.5mm 以下的胶 粉,这样 可以大大拓展了胶粉的应用领域。 由德国、 俄罗斯等国家 开发的胶粉的常温挤出粉碎法, 该 法 是 粉 碎 设 备 是 采 用 螺 杆 挤 出 机 。 胶 粉 的 挤 出 粉 碎 法 能 够 连 续 生 产, 能 耗 相 对 较 低 200 ~400 kWPt, 可以得到较细的胶粉 粒径范围 50~500μm 。 胶 粉的挤出粉碎法并非单 [9] 纯的机械粉碎过程,而是伴有胶料粉碎过程中的力化学效应 。 在胶粉的应用方面, 胶粉一般是与橡胶掺合使用, 也与树脂并用。 在 20 世纪 80 年 代初国外就已将胶粉和各种热塑性聚合物混合使用, 进行胶粉增韧聚合物的研究。 通过 胶粉改性后的热塑性树脂可通过模具压制、 层压、 压延、 挤塑等工序成型方法制成成品。 美国的 Rosehill 公司在 高温下将热塑性树脂与胶粉直接混和在一起, 先经过挤出, 再经 由冷却, 最 后进行切断等工艺操作, 可制成宽 为 0.5~1cm 、 厚为 1~4cm 的材料 , 广泛应 [8] 用于道路铺设、隔音材料、屋顶防水层以及减震垫和垫毯等之中去 。 1.2.2 国内研究现状 我国目前已成为世界第一大橡胶消耗国,2006 年生胶消耗量为 480 万吨,2010 年 已达到约 600 万吨, 并且消耗量还在增加, 而我国的橡胶制品的生产量大约为生胶生产 量的 2 倍。 在废旧橡胶利用中, 我国主要以生产再生橡胶为主, 能耗高、 工艺复杂、 环 境污染严重, 这与工业发达国家对废旧 橡胶的利用恰恰相反。 再生橡胶生产在发达国家 3 第一章 绪论 已逐渐淘汰, 取而代之的是以生产胶粉为主。 而我国却是世界再生橡胶生产大国, 年生 产量达到 245 万 t ,年产销量均居世界第一,胶粉生产量为 25 万吨 ,轮胎翻新为 1200 [10] 万条(60 万吨) ,裂解利用为 50 万吨 。 我国胶粉生产开始于 20 世纪 80 年代后期, 并且开始商品化和在橡胶行业应用, 90 年代初进入活跃期。经过数十年的不断发展,我国已经具备了一定的生产胶 粉的能力, 国内的生产这种设备的厂家也研发出了一些胶粉常温粉碎法的生产设备, 胶粉的制造技 术也得到了很大的提高。 对于胶粉生产 一般都采用常温粉碎法和低温粉碎法。 经过多年 研究发展, 深圳东部橡塑实业有限公司成功研制出了常温法生产精细橡胶粉新技术, 这 项技术以物理手段和化学手段并用,该工艺流程生产万吨/年规模的 60~120 目精细胶 粉, 生产过程中对环境污染较小, 并且达到废轮胎胶料、 骨架材料全部综合利用。 浙江 绿环橡胶粉体工程有限公司把德国 HOBER 公司 “废轮胎前道处理设备” 和精细胶粉生 产设备有机结合起来, 并且与北京泛洋伟业科技有限公司的合作, 建立了 FCS 废轮胎常 温法精细胶粉成套生产线。FCS 废旧轮胎胶粉 生产线的工艺流程大致分为钢圈切割 分 离、 整胎破碎、 钢丝与橡胶的分离、 橡胶粗碎、 纤维分离、 橡胶精细粉碎、 精密分级等 步骤。 而且 研制出系列专用设备, 如 ZPS 整 胎破碎机、NQJ 钢圈切 割分离机、CQ 橡胶 钢丝分离机、XJF 橡胶 精细粉碎机、PJ 型橡胶中碎机、KF 型胶粉 精密分 级机等。 在 20 世纪 80 年代末期至 90 年代, 我国引进了多套国外低温粉碎技术装置 (均为液氮冷冻法) , 经过消化吸收和改进提高, 现在已经取得较大的突破。 原青岛化工学院等科研机构与企 业联手成功研制出了空气涡轮制冷法, 该技术核心就是将飞机制造业中的涡轮膨胀技术 应用于低温粉碎技术中, 利用空气 压缩与膨胀制冷, 可以 获得-120?左右低温, 该技术 进料胶粒度为 2~4mm , 生产的胶粉的粒度大约为 60~120 目。 该法与国外液氮冷冻粉碎 法相比不仅成本低, 而且节能。 后来国内多家科研机构都开发出此技术, 如 609 研究所、 北京航空航天大学、 西安交通大学和中科院低温实验中心等, 而且在淄博、 南京等地建 [6] 设工业化的精细胶粉生产线 。 在胶粉应用方面, 胶粉广泛的应用于橡胶工业中, 可以直接加工成型或者胶粉和橡 胶混合使用; 应用于塑料工业中, 采用简单混合法和动态硫化法与树脂并用, 以增韧改 性树脂; 应用于建筑材料工业中, 一般应用于制造防水卷材或制 备水乳型 防水涂料等各 [11] 行业中;应用于道路建设中,可以与沥青混合制备橡胶沥青后用于铺路 。除此 之外, 4 胶粉还可以应用于改性塑料和改良土壤, 精细胶粉也还能用于制备防腐涂料等非橡胶领 [12] 域 。 1.3 废 旧轮 胎胶粉的 制备方法 胶 粉 常 见 的 生 产 方 法 有 三 种 : 常 温 粉 碎 法 、 低 温 粉 碎 法 和 湿 法 ( 溶 液 法 ) 。 还 有 一 些特殊的工艺方法: 固相剪切粉碎法、 臭氧粉碎法、 电磁冲击法等等。 各种方法都有其 自身的特点,不过在胶粉的工业化生产中,常温粉碎法仍占主导地位。 1.3.1 常温粉碎法 常温粉碎法是指在常温下, 对废旧橡胶用辊筒或其他设备的 剪切挤压作用进行粉碎 [13] 的一种方法。胶粉生产工艺流程图见图 1.1 。 钢丝圈剥 离 轮 胎破碎 机将整 胎 破碎成 粗 碎机 将胶块 破 废旧 轮 胎 ?50 m m ×50mm 的胶 块 碎成20mm 的 胶粒 机切除胎 圈 达到 工艺要 求 细碎机 筛选机 磁选机 纤 维分离 机 胶粉 成 品 未 达 到 工艺要 求 提升机图 1.1 胶 粉 生 产 工 艺流程 图 随 着胶 粉生产 技术 的进步 ,国 内外又 相继 开发了 一系 列的常 温粉 碎工艺 ,使胶 粉 生 产进入了一个新发展时期, 日本神户制钢所开发了轮胎连续粉碎法、 俄罗斯和德国开发 [11] 了胶粉挤出粉碎法,此外美国和中国等国家也相继开发了一系列常温粉碎法新技术 。 1.3.2 低温粉碎法 废旧橡胶是一种高弹性聚合物,在粉碎加工时会呈现一些塑形、黏性和弹性行为, 难 以 粉 碎 。 所 以 低 温 粉 碎 就 是 利 用 冷 冻 ( 液 氮 冷 冻 或 空 气 膨 胀 式 冷 冻 ) , 使 废 旧 废 橡 胶 制品冷至玻璃化温度以下, 从而使得橡胶分子链不能运动而橡胶分子脆化, 然后利用盘 式或者锤式粉碎机进行粉碎。各种橡胶玻璃化温度和脆性温度如表 1.1 所 示。 表 1.1 各种橡 胶 玻 璃化温 度 和 脆性温 度 橡胶种类 玻璃化温度/ ? 脆性温度/ ? 橡胶种类 玻璃化温度/ ? 脆性温度/ ? 5 第一章 绪论 天然橡胶 -72 -50 顺丁橡胶 -105 -75 异戊橡胶 -73 -50 硅橡胶 -123 -90 丁苯橡胶 -57 -45 丁基橡胶 -61 -46 低温粉碎的方法按照工艺过程又分为两种方法: [12] (1 )直接冷冻低温粉碎法 :先 是 对 轮 胎 进 行 预 处 理 , 将 轮 胎 的 胎 圈 部 位 切 下 , 再分割胎面为 2~3 小块,最后直接至于冷冻装置内进行粉碎,从而得到胶粉。 [12] (2 )在冷冻条件下先粗碎再细碎的低温粉碎法 : 同直 接 冷 冻 低 温 粉 碎 法 一 样 先 是对轮胎进行预处理切掉胎圈, 再将整条轮胎置于冷冻装置内, 然后进行粗碎, 粗碎后 再冷冻,再细碎,最后再细碎从而得到胶粉。 美国 UCC 公司是世界上最先开发低温粉碎法工艺的之一。其开发的低温粉碎工艺 过程主要由两条技术路线组成, 是一种综合处理工艺。 一条技术路线为废旧橡胶 无预处 理过程,一为有预处理过程,都可获得 325 目(0.043mm )以下细度的胶粉。此外, 美 国联合轮胎公司的低温粉碎过程则是将废轮胎胎面切割成长条或胶片, 再轧碎成 6.5mm [14] 的胶粒,经由低温输送器输送到粉碎机,经冷冻粉碎为粒径为 0.42mm 的胶粉 。 日本东邦瓦斯和东邦制冷株式会社共同开发的低温粉碎法, 其特点是将整条废胎除 去石子、 泥沙后可直接送至生产流水线加工成胶粉; 废旧橡胶轮胎的分离、 粉碎各部分 回收率达到 97% ; 配 有特殊胎膜, 是废胎中胶粉、 钢丝和纤维一次性分离开; 微磨机可 在低温下将胶粉磨细成 0.05mm 的超细胶粉;整个生产过程系低温条件下的物理过程, 没有任何化学变化。 因此, 较好的解决了环境污染问题, 生产的胶粉质量好, 磨碎的精 [10] 细胶粉(粒径不大于 0.2mm ) ,此 过程不需要化学改性 。 1.3.3 湿法或溶液粉碎法 湿法 (溶液 粉碎法) 生 产胶粉首先是由英国橡胶与塑料研究会RAPRA成功研制出 生产胶粉的新工艺, 此法称为 RAPRA 法。 湿法 (溶液粉碎法) 生产胶粉粒度一般都是 小于 200 目。 其粉碎过程为: 废旧橡胶粗碎; 使用化学药品或水对粗碎之后的胶粉进行 预处理; 将预处理过的胶粉置入圆盘胶体磨中粉碎成超细胶粉。 对湿 法或溶液粉碎法这 [9] 一新工艺,其他国家也研制开发出来了一些新的溶液粉碎法 。 俄罗斯开发的利用可视红外线激光液压脉冲湿法粉碎胶粉工艺, 在室温下橡胶呈脆 性以利于粉碎。 这种方法生产时间短、 能耗低, 加工过程生态安全, 可使橡胶粒径达到 6 所需极小范围, 工作液体介质可以无限循环使用。 日本也开发了一种利用高压水冲击轮 胎生产胶粉的新湿法工艺。该发放是利用一个内径为 1~2mm 的喷嘴 射入具有 245MPa 以上高压水来冲击整条轮胎, 直接加工成胶粉, 省去了通常机械粉碎工艺所需的各种设 备, 简化了工艺, 降低了能耗。 在湿法或溶液粉碎法上, 我 国也做了大量 的研究, 国内 自主开发的湿法或溶液法生产胶粉新工艺技术, 是采用溶剂先对磨成一定粒度的胶粉进 [15] 行溶胀后,然后再进行粉碎而制成粒径为 1~50um 的超细 胶粉 。 1.3.4 固相剪切粉碎技术 固 相 剪 切 粉 碎 技 术 是 国 内 外 最 近 几 年 才 发 展 起 来 的 一 种 连 续 化 的 聚 合 物 粉 碎 加 工 技术。 该技术是利用压力场和剪切力场共同作用使聚合物材料在其熔点或玻璃化温度以 上发生弹性形变粉碎, 利用塑料加工机械, 如单螺杆或双螺杆挤出机以及其他类型的混 合设备产生的应力作用,能将未经分类的混合废聚合物材料加工成再利用的均匀粉末。 20 世纪 80 年代后期,前苏联开发了单双螺杆挤出机粉碎废旧橡胶的方法,国内也提出 [14] 了利用力化学反应器从废旧轮胎制备高表面活性胶粉的方法 。 1.3.5 臭氧粉碎法 臭氧粉碎法是将废旧胎整体置于一密封装置内, 通过超高浓度臭氧,O 浓度为空气 3 中 O 浓度的一万倍,1 小时后, 启动密封装置内配置的 10Kw 动 力机械, 使轮胎骨架材 3 [14] 料与硫化橡胶分离,并进行橡胶粉碎,可得到粒径分布较宽的粉末橡胶 。 1.3.6 电磁冲击粉碎法 电磁冲击粉碎法是利用电磁场的作用, 在废旧轮胎内部形成脉冲磁场, 将轮胎中的 橡胶金属分离。 分离后的橡胶能与轮 胎金属结构保持了原有的特性和功能, 能再次用来 [14] 生产轮胎。另外,运用该方法还缩短了处理废旧轮胎的周期 。 1.4 论 文研 究内容 本论文主要对废旧轮胎胶粉的生产工艺和设备进行了研究, 在对国内外对废旧轮胎 胶粉的制备技术研究的基础上, 设计出了能够合理制备胶粉的常温粉碎法工艺, 并对胶 粉常温粉碎机理进行了研究。 在此过程中, 着重研究了 胶粉制备成套设备的配置和废旧 轮胎辊压粉碎机, 并合理的确定了 辊压机辊筒的尺寸参数和工作参数, 由此建立了废旧 7 第一章 绪论 橡胶粉碎模型。 本论文主要研究内容如下: (1)废旧轮胎常温粉碎工艺的研究; (2)废旧橡胶常温粉碎机理的研究; (3)废旧轮胎常温粉碎成套设备配置 的分析与研究; (4)废旧轮胎辊压机的主要参数确定; (5 ) 建立 废 旧 轮 胎 辊 压 机 粉 碎 过 程 数 学 模 型 , 进 一 步 对 废 旧 橡 胶 粉 碎 过 程 进 行 了 理论分析; (6 ) 建立 废 旧 轮 胎 辊 压 机 粉 碎 过 程 矩 阵 模 型 , 分 析 了 胶 料 被 粉 碎 前 后 其 粒径及粒 径分布的变化规律。 8 第二章 废旧橡 胶粉碎 工艺对 比研究 与设计 废旧橡胶在机械作用下粉碎加工成胶粉是废旧橡胶再利用的有效方法。 国外对废旧 橡胶的回收利用已由传统的生产再生胶转变为生产胶粉, 而我国废旧橡胶的回收利用仍 沿用生产再生胶为主, 胶粉的生 产刚刚起步。 所以对胶粉粉碎工艺的研究有着举足轻重 [16] 的意义。 胶粉的生产方法主要有三种: 常温粉碎法、 低温粉碎法和湿法或 溶液法 。第 一章已对这三种方法给于简单的介绍, 本章内容主要对这三种胶粉的生产方法进行对比 研究,并设计出了一套较为合理的常温法 胶粉制备工艺。 2.1 三种胶 粉制造方 法的 对比 研究 2.1.1 胶粉制造方法对胶粉性能的影响 不同方法生产的胶粉对胶粉的性能有着不同影响。 一般来说, 常温粉碎法的胶粉其 表面粗糙呈凹凸状态, 比表面积大, 故配合胶料用量较大, 对胶料性能影响较小; 而低 温粉碎法胶粉由于其表面平滑的 特性, 故对配合胶料的性能影响较常温粉碎法更大, 隐 刺残用量不宜过大; 湿法或溶液粉碎法胶粉由于其粒径小, 比表面大, 故其配合胶料的 [17] 性能优于常温粉碎法和低温粉碎法胶粉 。表 2.1 为常温粉碎法与低温粉碎法胶料的性 [15] 能对比 。 表 2.1 常温粉 碎 法 与低温 粉 碎 法胶粉 性 能 的对比 项 目 常 温 粉 碎 法 低 温 粉 碎 法 密度 相同 相同 子形状 不规则 规则 纤维含量 0.5% 0 钢丝金属含量 0.1% 0 与其质界面结合力 大 小 移动回转抵抗力 小 大 基质处应力分布 均匀 均匀 2.1.2 胶粉制造方法对粒径和粒径分布的影响 [17] 胶粉由于生产方法的不同, 相应胶粉的形状、 粒径和表面状态也不同 。 一般用 常 9 第二 章 废旧橡胶粉碎工艺对比研究与设计 温法生产的胶粉粒径在 0.3~1.4mm (12~47 目) ; 用低温法生产的胶粉粒径在 0.075~0.3mm (47~200 目) ;用湿法或溶液法生产的胶粉粒径在 0.075mm 以下 (200 目以上) 。胶粉 的粒径分布因粉碎机、 筛分设备的种类以及工艺不同而不同, 而且具有一定的粒径分布 范围。 作为胶粉生产使用时, 粒径分布范围越窄越好, 所以在设计筛分设备时, 必须保 证胶粉的粒径分布范围尽可能的窄些 。表 2.2 为常温粉碎胶粉和低温粉碎胶粉的粒径分 [15] 布状况 。 表 2.2 常温粉 碎 胶 粉和低 温 粉 碎胶粉 的 粒 径分布 状 况 保留量 常温粉碎法 低温粉碎法 30 目 2% 2% 40 目 15% 10%~12% 60 目 60%~75% 35%~40% 80 目 15% 35%~40% 100 目 5% 20% 100 目以上 5%~10% 2%~10% 2.1.3 胶粉的制造方法对胶粉的形状和表面状态的影响 胶粉的制造方法对胶粉的形状和表面状态的影响如表 2.3 所示。 表 2.3 胶粉的 制 造 方法对 胶 粉 的形状 和 表 面状态 的 影 响 胶粉的制造方法 受力类型 胶粉的形状和表面特征 常温粉碎法 剪切力 胶粉粒子形状不规则,粒子表面有无数的凹凸,呈毛刺 状态 低温粉碎法 冲击力 胶粉粒子形状规则,粒子表面平滑,呈锐角状态 湿法或溶液粉碎法 - 胶粉表面积比常温法和低温法生产的胶粉表面积大 2.1.4 胶粉的制造方法对胶粉性质的影响 胶粉的性质主要影响因素为废旧橡胶材料和胶粉的粉碎方法。 一般来说, 相对于常 温粉碎胶粉而言, 采用低温粉碎所生产的胶粉热老化和氧化现象比较少; 常温粉碎所生 产的胶粉其累积热比较小, 由于废旧橡胶原材料中 还有防老化剂, 所以胶粉表面也不易 发生氧化现象, 而且其表面积比低温法制得的胶粉大, 在制造再生橡胶的时候, 容易受 到热和氧的作用, 其氧化降解效果比较好, 所以再生效果好。 而湿法或溶液法粉碎制得 10 [15,16] 的胶粉活性更大,总体性能优于常温法和低温法 。表 2.4 为湿法粉碎对胶粉性质的 [19] 影响 。 表 2.4 湿法粉 碎 胶 粉的性 质 性质 GF-80 GF-120 相对密度 1.12~1.15 1.12~1.15 通过 60 目/% 100 100 通过 80 目/% 90 100 通过 120 目/% 85 90 通过 200 目/% 50 60 平均粒径/ 目 200 250 2 粒子表面积/ (m /g ) 2.0 2.5 2.1.5 不同胶粉的制造方法生产出的胶粉及其粒径对胶料性能的影响 胶料物理机械性能受到胶粉的影响是很大的, 其主要影响因素有: 胶粉的粒径大小、 胶粉的用量多少以及和胶粉的原料的性质。 除此之外, 胶粉中含有的杂质 (纤维、 金属、 灰尘及水分等) 的多少, 采用不同的粉碎方法, 都会对胶料的机械性能带来一定程度的 [20] 影响。胶粉的粒径大小和粉碎方法选取有直接关系 。 [15,16] (1) 低温法粉碎的不同粒径的胶粉对胶料性能的影响 见表 2.5 。 其中主要成分 为丁苯橡胶 75,顺丁橡胶 25,低温法胎面胶粉 40。 表 2.5 低温法 粉 碎 的不同 粒 径 的胶粉 对 胶 料性能 的 影 响 胶粉粒径/um 63 100 140 160 200 250 无胶粉 筛号/ 目 200 120 90 80 60 50 300% 定伸应 力/MPa 12.5 12.2 12.1 12.0 11.6 11.3 11.1 拉伸强度/MPa 18.6 18.4 18.1 18.0 17.6 17.2 16.9 扯断伸长率/% 485 475 475 470 465 460 455 撕断强度/kN/m 55 66 63 63 62 61 59 硬度(TM-2 )/ 度 64 66 66 66 65 64 64 回弹值/% 32 31 32 32 32 32 32 11 第二 章 废旧橡胶粉碎工艺对比研究与设计 拉伸疲劳(δ150% )/千次 9.1 30.5 26.5 24 23 17.5 15 弯曲疲劳/ 千次 100 300 240 180 113 100 90 抗裂口增长/ 千次 36.4 105 90 85 75 58 49 3 磨耗量/ (cm /J ) 19.2 19.5 19.8 19.5 19.8 20.0 20.3 从表 2.5 中 可以看到,加有胶粉胶料的各项物理机械性能均接近未加胶粉 胶料的性 能或者有不同程度的提高。 (2 )常温法粉碎的不同粒径大小的胶粉对胶料物理机械性能性能的影响 见 表 [15,16] 2.5 。其中主要成分为,天然橡胶 100,中超耐磨炭黑 33,槽法炭黑 15,胎面 胶胶 粉 10。 表 2.6 常温法 粉 碎 的不同 粒 径 和胶粉 对 胶 料性能 的 影 响 胶粉粒径/um 130 160 210 320 400 无胶粉 标准筛号/ 目 100 80 60 40 32 硬度(绍尔 A 型/ 度) 69 70 69 69 69 68 拉伸强度/MPa 30.40 27.85 26.67 27.56 26.28 24.61 扯断伸长率/% 611 600 574 582 564 530 300% 定伸长 应力/MPa 11.66 10.58 1.98 11.08 10.86 1.98 回弹值/% 38 37 37 38 37 37 37 37 37.5 38 38 37 生热?T ?/ ? 撕裂强度/ (kN/m ) 101 101 94.5 106 106.8 101 3 磨耗量/ (cm /1.6km ) 0.266 0.310 0.312 0.309 0.291 0.302 屈挠龟裂(万次/ 型) 16/332 6/332 11/332 12/332 7/332 10/332 屈挠裂口(mm/45 千次) 11.4 - - 9.1 - 8.0 从表 2.6 中 可以看出,常温 法粉碎的胶粉,随着胶粉粒径越小,掺有胶粉 的胶料的 性能越接近没有添加胶粉胶料的性能, 而拉伸强度和扯断伸长率会随胶粉 粒径的增大而 降低, 不过抗屈挠裂口性能有一定的提高, 其余各项物理机械性能均与未 添加胶粉的胶 料相近。 2.1.6 胶粉的制造方法对生产成本的影响 12 总的来说, 在所需生产胶粉的质和量一定的前提下, 低温粉碎法由于需要 大量的冷 却 剂 ( 一 般 为 液 氮 ) , 故 而 投 资 成 本 最 大 , 湿 法 或 溶 液 粉 碎 法 次 之 , 常 温 粉 碎 法 投 资 成 [13] 本最少。表 2.7 为不同精细胶粉生产方法经济指标对比 。 表 2.7 不同精 细 胶 粉生产 方 法 经济指 标 对 比 生产方法 低温法(液氮) 低温法(空气制冷) 常温发(浸混法) 设备投资/ (万吨/a ) 4000 万元 2000 万元 1300 万元 生产成本/t 3000 元 2000 元 1300 元 经济效益/t 负 数 少量 1000 元以上 用人数量/ 班 22 22 7 能耗/ (Kw/t ) 1100 900 600 污染情况 无 无 无 总述, 一般的说, 常温粉碎法的特点是设备简单, 工艺成本低, 工作人员操作简单 不过工作量比较重, 可以大批量生产, 但是胶粉粒径较大, 要制造精细胶粉必须配有其 他的工艺程序, 随着最近几年常温粉碎技术的不断改进和优化, 常温粉碎法更适用于大 中小型胶粉的生产。 低温粉碎法需要液氮等冷冻介质, 这样就增加了生产成本, 但是工 艺比较简单, 对空气的污