一種交聯(lián)聚乙烯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，尤其涉及一種交聯(lián)聚乙烯廢棄物 的回收工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 交聯(lián)聚乙烯材料，又稱XLPE，通過化學(xué)交聯(lián)（經(jīng)過氧化物或硅烷交聯(lián)）或輻照交聯(lián) (輻照劑加輻照射線）方法制備而成，其力學(xué)強(qiáng)度高、耐高低溫和抗蠕變性能優(yōu)越，在通信、 電力電纜護(hù)套材料、XLPE熱水管、汽車和電器部件及交聯(lián)泡沫材料等方面得到廣泛應(yīng)用。但 是，由于XLPE屬于一種熱固性材料，其性能與熱塑性材料完全不一樣，該材料不溶解、不熔 化，由于沒有加工流動性，因此再生加工難以直接成型，無論是化學(xué)交聯(lián)還是輻照交聯(lián)，都 難以回收和再利用。電纜更換過程和XLPE管材生產(chǎn)、安裝過程都會產(chǎn)生大量難以回收的交 聯(lián)聚乙烯廢棄物，目前主要采用填埋或焚燒處理，造成環(huán)境污染和資源浪費。因此開發(fā)XLPE 廢料的回收利用新技術(shù)，是實現(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 要研究課題。
[0003] 交聯(lián)聚乙烯的難回收，正是由于其分子鏈發(fā)生交聯(lián)，形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。很自 然，要實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯的回收，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，就可實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯的回收。
[0004] 化學(xué)鍵的破壞有兩種方法，即化學(xué)方法和物理方法?；瘜W(xué)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，通過這些助劑對交聯(lián)鍵進(jìn)行進(jìn)攻破壞，使得交聯(lián) 鍵斷開，同時這些物質(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)， 這樣交聯(lián)聚乙烯就解聚成非交聯(lián)聚乙烯，具有可流動性和加工性，可以象熱塑性聚乙烯一 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，使交聯(lián)聚乙烯的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 破壞，形成線型直鏈或支鏈型的低相對分子量的二維結(jié)構(gòu)這樣材料具有高溫流動性和可加 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，不會引起二次污染，相對環(huán)保，但這些方法的設(shè)備投資大，很難實現(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)域很難實現(xiàn)，大多停留在實驗室階段。
[0006] 針對現(xiàn)有的回收交聯(lián)聚乙烯廢棄物方法所面臨的問題，需要研究高效無二次污染 的新的回收處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種交聯(lián)聚乙烯廢棄物的回收工藝，可以環(huán)保高效地解聚交聯(lián)聚乙 烯，使得解聚后的聚乙烯具有高溫流動性和可加工性，直接應(yīng)用于下游的制品生產(chǎn)，解決傳 統(tǒng)處理方法的污染和低效率問題。
[0008] -種交聯(lián)聚乙烯廢棄物的回收工藝，步驟如下：
[0009] 交聯(lián)聚乙烯廢棄物經(jīng)粉碎后，加入擠出機(jī)，在高溫和交變剪切作用下，使得交聯(lián)聚 乙烯的分子鏈發(fā)生解聚，實現(xiàn)回收利用；
[0010] 所述擠出機(jī)的擠出溫度為240~300°C，模頭壓力為3~20MPa ;
[0011] 所述擠出機(jī)螺桿的長徑比為56~80,螺桿轉(zhuǎn)速為400~1200rpm，使得物料承受 的剪切線速度>4m/s ;
[0012] 所述的物料承受的剪切線速度也是指螺桿端部的線速度；
[0013] 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；
[0014] 所述物料的處理時間>30s，物料的處理時間是指物料承受高溫強(qiáng)剪切的作用時 間；
[0015] 所述的擠出機(jī)為單螺桿擠出機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)。
[0016] 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)。
[0017] 所述的交聯(lián)聚乙烯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。
[0018] 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。
[0019] 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。采用上述優(yōu)選的擠出工藝，可以快速、高效地實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯的解聚，且再生后的性能 優(yōu)異。
[0020] 本發(fā)明的基本原理是：在高溫和交變強(qiáng)剪切作用下，通過物理作用使得交聯(lián)聚乙 烯的分子鏈發(fā)生解聚，從而實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯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 理時間>30s ; (4)物料承受的強(qiáng)剪切力的交變周期為2~10個。在工業(yè)過程中，可通過特 殊結(jié)構(gòu)設(shè)計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)，對于擠出 機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)要求為：擠出機(jī)長度直徑比為：56~80,螺桿組合保持剪切力的交變周期為 2~10個。而對于擠出機(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。通過該方法可實現(xiàn)交聯(lián)聚乙稀材料廢棄物的循 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。
[0021] 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。
[0022] 下面將對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0023] 本專利申請是以環(huán)保高效地回收利用交聯(lián)聚乙烯材料廢棄物為目的，專利發(fā)明人 為此進(jìn)行了廣泛而深入的研究。針對交聯(lián)聚合物的解聚合機(jī)理及現(xiàn)有回收交聯(lián)聚乙烯材料 的方法、如何環(huán)保高效率工業(yè)化實現(xiàn)進(jìn)行了探索研究。
[0024] 聚乙烯分子鏈發(fā)生交聯(lián)，線性直鏈分子結(jié)構(gòu)變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子鏈間的滑移 被阻止，因此交聯(lián)聚乙烯在宏觀上表現(xiàn)為不溶和不熔，也沒有高溫流動性和可加工性，廢棄 物不能再次通過溶解或熔融重新加工成制品，相應(yīng)地也失去了回收價值。要實現(xiàn)交聯(lián)聚乙 烯的回收價值，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。
[0025] 交聯(lián)聚乙烯的分子立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實際上是形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳碳鍵，破壞交 聯(lián)聚乙烯的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實際上需要破壞其中的一些碳碳鍵。根據(jù)化學(xué)鍵的熱力學(xué)理論， 破壞碳碳鍵需要提供足夠的能量，即外界所提供的能量大于碳碳鍵的分子鍵能。通常通過 兩種方法來提供破壞碳碳鍵所需的能量，一種是化學(xué)方法，通過化學(xué)物質(zhì)對碳碳鍵的進(jìn)攻， 降低碳碳鍵的鍵能，從而使得化學(xué)鍵吸收能量斷裂而解聚，在目前，化學(xué)方法對交聯(lián)聚乙烯 還不是很有效，即不容易找到很合適的化學(xué)物質(zhì)可以高效地對碳碳鍵產(chǎn)生破壞作用，而且 已報道的化學(xué)方法，則效率不高，并且過程中會產(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)方法處理交聯(lián)聚乙烯還不成熟，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)熱量大于碳碳鍵的 鍵能時，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，不會引起二次污 染，相對環(huán)保，但這些方法的設(shè)備投資大，很難實現(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)域很難實現(xiàn)，大多停留在實驗室階段。
[0026] 因此現(xiàn)有的解聚交聯(lián)聚乙烯的方法還不成熟，為了實現(xiàn)高效環(huán)保的回收，為此本 專利發(fā)明人經(jīng)過深入研究，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 用使得交聯(lián)聚乙烯的分子鏈發(fā)生解聚，從而實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯材料廢棄物的回收利用。
[0027] 首先，物理方法是最環(huán)保的方法，但物理方法的關(guān)鍵是如何高效地給交聯(lián)聚乙烯 提供足夠的能量以破壞碳碳鍵。對物質(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碳碳 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。 因此在交聯(lián)聚乙烯的回收領(lǐng)域存在一種高溫回收方法，即交聯(lián)聚乙烯煉油，把交聯(lián)聚乙烯 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)方式還不能實現(xiàn)高效 環(huán)保的回收利用。
[0028] 除了給交聯(lián)聚合物供熱使得碳碳鍵破壞外，還可以通過剪切的方式，使得碳碳鍵 受到的剪切力超過碳碳鍵的化學(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碳碳鍵，但有 幾個因素需要考慮：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碳碳化學(xué)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)聚乙烯，希 望材料具有可加工性，同時還要有材料的性能，即不能破壞分子結(jié)構(gòu)中的所有化學(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。基于此認(rèn)識，經(jīng) 過研究，我們提出了回收交聯(lián)聚乙烯的基本原理：利用高溫和交變強(qiáng)剪切作用下，通過物理 作用使得交聯(lián)聚乙烯的分子鏈發(fā)生解聚，從而實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯材料廢棄物的回收利用。
[0029] 通過更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯的有效解聚，所需基本工