一種廢舊酚醛塑料粉碎回收裝備的設(shè)計(jì)

羅 輝 洪 文 郝 明

（合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，合肥 230009）

1 背景與現(xiàn)狀

酚醛塑料由于性能良好被廣泛應(yīng)用，但是其物理性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕等特性導(dǎo)致其難以降解[1]。廢棄的酚醛塑料制品具有一定的毒性，導(dǎo)致酚醛塑料廢棄物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用和酚醛塑料產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，利用綠色回收技術(shù)回收廢棄酚醛塑料成為重中之重。

廢舊酚醛塑料再利用的主要方法有機(jī)械粉碎法、溶劑法、熱解法以及能量回收法等[2-4]。利用能量回收法時(shí)，在廢舊酚醛塑料燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體且大部分廢舊熱固性塑料不易燃燒，不利于推廣。目前回收的主要用途是作為無(wú)機(jī)填料，而溶劑法和熱解法成本較高。機(jī)械粉碎法具有回收成本低、工序簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于低質(zhì)量填料的酚醛塑料回收[5]。針對(duì)機(jī)械粉碎法，本文研究開發(fā)一套適合廢舊酚醛塑料破碎回收的設(shè)備。設(shè)計(jì)的新設(shè)備產(chǎn)出的磨粉材料適合作為無(wú)機(jī)填料添加到其他材料中制成再生制品，從而實(shí)現(xiàn)酚醛塑料的回收再利用。

2 機(jī)械法再生機(jī)理

機(jī)械法再生主要是采用粉碎研磨的方式粉碎廢舊酚醛塑料[6]。在粉碎過(guò)程中，酚醛塑料受到機(jī)械力的作用，在接觸處產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)。隨著機(jī)械力的作用不斷產(chǎn)生熱量，隨著應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力大于酚醛塑料本身破碎極限值，宏觀上酚醛塑料顆粒不斷破裂，微觀上酚醛塑料分子間的范德華力被破壞。此時(shí)，分子中較為薄弱的化學(xué)鍵開始斷裂，斷裂處產(chǎn)生活化基團(tuán)[7]。隨著機(jī)械力的不斷作用，酚醛塑料顆粒的粒徑不斷減小，顆粒的比表面積逐漸增大，同時(shí)分子層面斷裂交聯(lián)鍵也在不斷增加，不斷產(chǎn)生活化基團(tuán)，使得粉末表面受到活化，恢復(fù)部分再加工成型能力。再生機(jī)理如圖1所示[8-12]。

圖1 廢舊酚醛塑料機(jī)械法再生機(jī)理

3 廢舊酚醛塑料粉碎回收裝備

廢舊酚醛塑料粉碎裝備利用刀片旋轉(zhuǎn)方式將大塊狀物料弄碎，然后經(jīng)過(guò)擠壓進(jìn)一步減小物料體積，最后由研磨機(jī)構(gòu)研磨成粉末狀[13]。廢舊酚醛塑料粉碎設(shè)備將粉碎、磨碎以及研磨設(shè)計(jì)為一體，將清洗烘干后的廢舊酚醛塑料從進(jìn)料口進(jìn)入，先粉碎至10 mm 左右，然后進(jìn)入磨碎裝置，待磨碎粒度達(dá)到2 mm 以下后進(jìn)入研磨裝置，隨后進(jìn)行篩分，收集合格的部分，并再次研磨不合格的部分。

廢舊酚醛塑料粉碎裝備主要包括機(jī)架、粉碎倉(cāng)、磨碎倉(cāng)、研磨倉(cāng)、研磨倉(cāng)調(diào)節(jié)裝置、篩分倉(cāng)、動(dòng)力系統(tǒng)（如電機(jī)1 和電機(jī)2）及控制組件等8 個(gè)部件，如圖2 所示。

圖2 酚醛塑料粉碎機(jī)整體布局

機(jī)架是用來(lái)支撐、安裝設(shè)備的模塊，主要由一些鈑金件及控制箱組成。

在粉碎倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)刀片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撞擊剪切作用，將大塊的物料破碎成大塊物料。粉碎倉(cāng)主要包括粉碎箱、電機(jī)、傳動(dòng)桿、刀架、刀片、定刀具、篩網(wǎng)以及導(dǎo)料斗。粉碎箱安裝在支撐架的頂部，開設(shè)有進(jìn)料口和底部出料口；電機(jī)安裝在支撐架上，帶動(dòng)傳動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)；傳動(dòng)桿安裝在支撐架上，位于粉碎箱，且與粉碎箱軸向平行；篩網(wǎng)呈柱面型，連接在底部出料口上，與粉碎箱圍成一個(gè)粉碎空間；刀架安裝在傳動(dòng)桿的圓柱面上，刀片安裝在對(duì)應(yīng)的刀架上；定刀具安裝在篩網(wǎng)的內(nèi)壁上；刀片通過(guò)相鄰的兩個(gè)定刀具撞擊、擠壓、攪動(dòng)、振動(dòng)、剪切從進(jìn)料口進(jìn)入的酚醛塑料，通過(guò)篩網(wǎng)的酚醛塑料進(jìn)入磨碎倉(cāng)的導(dǎo)料斗[14]。

磨碎倉(cāng)的作用是進(jìn)一步減小粉碎后的物料體積。根據(jù)粉碎效果，此處采用擠壓形式，設(shè)計(jì)為滾筒式擠壓，包括兩個(gè)滾筒、傳動(dòng)桿和斜齒輪組。滾筒安裝在支撐架上，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行設(shè)計(jì)，并位于導(dǎo)料斗下方；電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)桿和斜齒輪組帶動(dòng)兩個(gè)滾筒相向轉(zhuǎn)動(dòng)，使從導(dǎo)料斗落下的酚醛塑料在粉碎縫隙中擠壓、剪切以及磨削。

研磨倉(cāng)的作用是將物料研磨成細(xì)小顆粒，以達(dá)到工藝要求。研磨倉(cāng)包括電機(jī)、錐形刀片組、多個(gè)應(yīng)變傳感器以及溫度傳感器。錐形刀片組包括錐形內(nèi)刀具和錐形外刀具。錐形外刀具安裝在支撐架上，并沿著錐形外刀具的軸向運(yùn)動(dòng)。錐形外刀具的內(nèi)壁上以環(huán)繞錐形外刀具為中心軸設(shè)計(jì)成多條內(nèi)刀齒。內(nèi)刀齒彎曲斜向下，且自上而下的凸出程度逐漸減小。錐形內(nèi)刀具位于錐形外刀具，并與錐形外刀具同軸安裝，同時(shí)間隔出一個(gè)破碎腔。錐形內(nèi)刀具的外壁上設(shè)計(jì)成多條外刀齒，外刀齒彎曲斜向下且自上而下的凸出程度逐漸減小[15]。多個(gè)應(yīng)變傳感器、溫度傳感器安裝在錐形外刀具的齒根處，均勻環(huán)形分布，用于檢測(cè)從磨碎縫隙落入研磨腔進(jìn)行橫向剪切和縱向擠壓的酚醛塑料的應(yīng)力與溫度。

考慮到研磨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫高壓，而高溫影響刀齒強(qiáng)度，需要利用研磨倉(cāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采取必要的保護(hù)措施。通過(guò)錐形外刀具的升降，可以改變錐形內(nèi)刀具和錐形外刀具的間距，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)研磨倉(cāng)內(nèi)壓力和溫度的功能。

篩分倉(cāng)通過(guò)風(fēng)力將達(dá)到粒度要求的物料抽取出來(lái)，將不合格的顆粒經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)落入傳送帶，利用傳送帶運(yùn)送到研磨倉(cāng)內(nèi)繼續(xù)研磨。篩分倉(cāng)主要由篩網(wǎng)、篩網(wǎng)支架以及抽風(fēng)機(jī)3 個(gè)部分組成。

動(dòng)力傳遞系統(tǒng)關(guān)系到整個(gè)設(shè)備是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一般采用V 帶傳動(dòng)[16]。通過(guò)電動(dòng)機(jī)經(jīng)V 帶將動(dòng)力傳遞給刀架上的傳動(dòng)軸，然后傳動(dòng)軸帶動(dòng)刀具開始旋轉(zhuǎn)破碎、剪切以及研磨酚醛塑料。

控制組件部分，通過(guò)多個(gè)應(yīng)變傳感器和溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)酚醛塑料的應(yīng)力和溫度。控制系統(tǒng)在應(yīng)力或者溫度小于設(shè)置區(qū)間的下限時(shí)，通過(guò)驅(qū)使錐形外刀具上升減小錐形內(nèi)刀具和錐形外刀具的間距。在應(yīng)力或溫度大于設(shè)置區(qū)間的上限時(shí)，通過(guò)驅(qū)使錐形外刀具下降增大錐形內(nèi)刀具和錐形外刀具的間距[17]。此時(shí)，物料會(huì)通過(guò)間隙往外流出，同時(shí)帶走內(nèi)部部分熱量，從而降低內(nèi)部溫度。

4 設(shè)備破碎效果

按照工藝流程，將酚醛塑料從投料口投入，穩(wěn)定運(yùn)行后從研磨倉(cāng)出口取粉料樣品。將取料樣品按照30～50 目、51～100 目、101～150 目、151～300 目、300 目以上進(jìn)行篩分，最終共得到5 種粒度的粉料。將5 種樣品放在掃描電鏡下檢測(cè)，可清晰看到粉料表面狀態(tài)的變化趨勢(shì)。圖3 為同一比例尺下粒徑的微觀形貌觀察圖。從不同目數(shù)微觀形貌圖中可以看出，隨著目數(shù)增加，粒度減小，顆粒表面形貌愈發(fā)不規(guī)則，斷面出現(xiàn)越來(lái)越多的細(xì)碎狀突出，增加了其表面粗糙程度，使其能與新料更好地連接。

圖3 不同目數(shù)的粉末微觀形貌

5 結(jié)語(yǔ)

在廢舊酚醛塑料機(jī)械法再生機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)集粉碎、磨碎、研磨、篩分于一體的廢舊酚醛塑料破碎回收專用裝備，并在關(guān)鍵的研磨工序布置了傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研磨過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了設(shè)備的安全性和使用壽命，同時(shí)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)粉碎設(shè)備的優(yōu)化升級(jí)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。此外，通過(guò)對(duì)不同目數(shù)粉料的顯微觀察，再一次證實(shí)了機(jī)械法回收的可行性和有效性。后續(xù)可針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，將粉料產(chǎn)品作為填料，對(duì)再生樣品中新舊粉料的配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并根據(jù)結(jié)果對(duì)廢舊酚醛塑料粉碎回收設(shè)備進(jìn)行系列化的完善升級(jí)，使之能夠更好地滿足產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展要求。