螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响

发布日期:2015-03-02 11:30:17

螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响和废旧轮胎胶粉

螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响,介绍了自行研制的螺杆组合结构,考察了不同螺杆组合对废旧轮胎胶粉制备再生肢工艺的影 响。结果表明,螺杆组合对于用废旧轮胎胶粉脱硫制备的再生肢力学性能的影响很大。相对于主喂比 (喂料螺杆与主螺杆转速之比)而言,蜾杆的转速和溫度对废旧轮胎肢粉的脱硫效果及再生胶力学性能 的影响程度较高。在采用螺杆组合n制备再生胶时,若将螺杆转速设为100 r/min、主喂比设为1.4、温 度设为190 T;(丨区〉/180 t ( n区)/160 ^ ( HI区),则废旧轮胎胶粉的凝肢质量分数由脱硫前的 86. 32%降至77. 56%,交联密度由14. 86 xl0_5 mol/cra3降至5. 38 x 1(T5 mol/cm3;此时获得的再生肢 的力学性能最好,拉伸强度达到14.4 MPa,扯断伸长率约为446%。

根据国内橡胶资源的状况,近几年我国已将 再生橡胶列人天然橡胶、合成橡胶之后的第三大 橡胶资源加以开发利用。用于生产再生胶的传统 脱硫方法有油法[1]、水油法以及国内广泛采用的 髙温高压动态脱硫法U1 ,但这些方法由于存在二 次污染较严重、生产效率低、能耗较大等缺点而逐 渐被淘汰。在诸如微波再生[3]、电子束辐射脱硫 法[4]、超声波再生[51等新型脱硫再生方法中,最 有工业化前景的是挤出机剪切脱硫再生法[6_8], 该方法的特点是设备简单,机械化程度高,可连续 生产,脱硫过程不产生废水,通过给予废橡胶以热 能、剪切力和压力,使交联硫键发生断裂,从而获 得性能稳定且有塑性的再生胶。螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响,本工作采用双螺 杆剪切脱硫再生法,通过设计不同的螺杆组合,考 察螺杆组合对废旧轮胎胶粉脱硫效果及再生胶力 学性能的影响,借以进行工艺优化,为今后设计更 合理的专用于废旧轮胎胶粉脱硫的螺杆元件组合 提供新思路。
1试验部分 1.1原材料
精细废旧轮胎胶粉(规格30目)由南通回力 橡胶有限公司提供;丙酮、二甲苯、甲苯、促进剂 NS、氧化锌、硬脂酸、硫黄等均为橡胶工业常 用品。
1.2主要仪器和设备
SHJ-35型双螺杆挤出机,螺杆构型自行研 制;SK-160 B型双辊开炼机,上海橡胶机械厂产 品;XLB-D 350 x350 x2型平板硫化机,常州市 第一橡胶机械厂产品;WDT-5型电子万能试验 机,深圳市凯强机械有限公司产品。
1.3试样制备
制备再生胶的硫化配方为:再生胶1〇〇份 (质量,下同),促进剂NS 0.8份,氧化锌2. 5份, 硬脂酸0.4份,硫黄1.2份。将废旧轮胎胶粉按 一般挤出方法进行挤出,对制备的再生胶粉进行 脱硫效果测试,同时按照GB/T 13460—2008对再 生胶粉进行混炼和硫化工艺操作,并测试所制备
收稿日期:2012 -03 -06;修订日期:2012 -10 -25。
作者简介:陶国良(1958_),男,江苏常州人,教授,硕士研究 生导师。研究方向为聚合物加工改性,已发表论文60余篇, 获专利授权3项,出版专著1部。
基金项目:科技部国际合作项目(2009 DFA 92690);国家自 然科学基金资助项目(51073028〉。
再生胶的力学性能。
1.4分析与测试
凝胶含量采用索氏抽提法测定脱硫后胶粉 的凝胶含量。先准确称取脱硫后的胶粉1 ~2 g, 用滤纸包裹,以二甲苯为溶剂用索氏抽提器连续 抽提24 h,然后于80 T真空烘箱中干燥至质量恒 定,用重量法计算凝胶含量。
交联密度采用溶胀法测量脱硫后胶粉的交 联密度。将厚为1 ~2 mm的胶粉装人带有磨口 塞的广口瓶中,同时倒人约为胶粉体积1〇〇倍的 甲苯作为溶剂,然后将广口瓶塞紧并置于30 ^的 恒温水浴中膨润48 ~72h。精确称量橡胶膨润后 和干燥后的质量,求得橡胶的体积膨润率。交联 密度(P,)采用Flory -Rehner公式[9]计算:
Pr= I -[ln(l -Kr) +Vt+A-V,2]|/[V(Vr,/3-2VJ-')],
式中J为溶剂的摩尔体积;R为橡胶体积膨润 率的倒数;/为橡胶交联点的官能度^为橡胶与 溶剂的相互作用系数。由于废旧轮胎胶粉中含有 增强填料炭黑,成分复杂,因此需用Kraus公 式[~对其进行修正A取〇.43。
力学性能再生胶的拉伸强度和扯断伸长率
按照GB/T 528—1998进行测试。
2结果与讨论
2.1螺杆元件及所设计的螺杆构型特点
螺杆组合一般由螺纹输送元件和捏合块元件 构成。螺纹输送元件主要起到输送物料的作用; 捏合块元件是一种剪切很强、混合性能优异的混 炼元件,由一定数量特定形状的捏合盘按照一定 的错列角排列而成。捏合块元件可按不同的错列 角、旋向及盘厚加以制作,其功能也就不尽相同, 本试验所选用的捏合块元件按错列角分有45°、 60°和90° 3种。一般而言错列角越大则捏合块 的输送能力越弱,剪切混合效果越好;捏合块元件 亦可分为正向捏合块和反向捏合块,反向捏合块 因反向输送作用而对物料输送产生阻力,可建立 高压,而正向捏合块具有一定的正向输送作用,但 其混合作用不如反向捏合块;另外,捏合块元件中 捏合盘越厚其剪切作用越强,但混合和正向输送 能力也越弱[IU。本试验所选用的螺纹输送元件 和捏合块元件见图1。
为获得较大的剪切能,应以螺杆组合上的剪 
 
(a)Element length: 48 mm, 32 mm, 22 mm; thread pitch: 24 mm, 16 mm, 11 mm; spiral flute: 6.54 mm, 6. 18 mm, 6.34 mm; (b) Element staggered angle: 45。,60。,90。; element length(L) :[(60。)22 mm,L(45。)27. 5 mm;
L(90°) 27. 5 mm; kneading block width(S) : 4. 80 mm.
Fig 1 Screw elements 
切元件即捏合块元件较多为好,但并非越多越 好,螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响,一方面是因为剪切元件起到的输送作用很 小,若连接长度过长则容易造成胶粉在剪切段 的滞留和挤压,引起压力过大,易对机器造成损 坏;另一方面,实际上胶粉的脱硫是交联网络与 分子链不同程度断裂的过程,剪切过强易造成 分子链断裂严重,进而影响再生胶的性能。为 此,在捏合块元件之间引人输送元件,剪切段与 输送段交替设置,不但能达到脱硫的效果,而且 不至于造成已脱硫胶粉与未脱硫胶粉的分散不 均匀,以避免后期测试出现误差。结合以上分 析设计制作的2种螺杆元件组合(分别标记为 组合I和组合n)见图2。
按主要功能均可将2种螺杆组合划分为3个 区域:I区(输送)、n区(剪切脱硫)和瓜区(输 送)。二者最大的区别在于n区和m区,从结构 上看,螺杆组合n起到的剪切作用要强于组合I, 组合n的n区(剪切脱硫段)较长,捏合块元件数 
I Feed opening
174 r
ent
60 mm
30 mm
2 088 mm
115r
Zone ID
Zone
Zone II 2 084 r
mhly I
|Feed openingz mmVent
i / min
30 mm
C-c&Pmrri——fflfTL-60 mm
—~^——r
wimi mmm, mgimr: WMii mu KI wm
5 mmZone I Zone D2 086 mm| Zone 111
Screw assembly II
Fig 2 Screw assembly I and assembly II
比组合i也多出i〇个;另外,在组合n的n区后
段装配了 2个错列角为45°的捏合块元件反旋接 入,对物料输送产生阻力,螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响,增大了胶粉在剪切脱硫 段的停留时间。m区的作用是使剪切后的胶粉分 散并均匀出料,2种组合的该段都采用导程逐渐 减少的螺纹元件,其中组合I的输送段较长。总 体来看,螺杆组合n起到的剪切作用要强于组合 I,剪切程度的强弱对比可通过以下试验进行数 据化分析。
2.2 2种螺杆组合的废旧轮胎胶粉脱硫效果 对比
将主喂比定义为喂料螺杆转速与主机螺杆转 速的比值,另外将挤出温度的I区(160 <€)/11区 (180 "O/m 区(160 丈)简记为 160 ^/180 丈/ 160丈。由图3可以明显看到,在相同的主喂比、 螺杆转速及脱硫温度(n区温度)条件下,相对于 螺杆组合I而言,随着工艺参数的变化,采用组合 n进行废旧轮胎胶粉脱硫的效果比较明显,脱硫 胶粉的凝胶含量和交联密度均较低,交联密度下 降至平均值约为5 x 10 _5 mol/cm3,凝胶含量最低 可降至70%附近;另外,从图3还可看出组合n 的凝胶含量和交联密度随螺杆转速和脱硫温度的 变化幅度(从81%左右降至70%附近)要大于主 喂比的影响,这是由于螺杆转速和脱硫温度能够 直接影响胶粉内橡胶交联硫键受到的剪切能和热 能,而主喂比施予的剪切压力只是对胶粉进行挤 
压,以使其受剪切的效率更高而已,因而变化较 小。这些脱硫效果的变化均说明螺杆组合n的剪 切作用要强于组合I,在固有的剪切能基础上加 以工艺的调节可以使得脱硫效果得到明显提高。 2.3 2种蠼杆组合制备再生胶的力学性能对比
由图4可以明显看到,在相同的主喂比、螺 杆转速及脱硫温度(n区温度)条件下,采用螺 杆组合n制备再生胶的力学性能稍好于组合 I,随着主喂比、螺杆转速及脱硫温度的不断增 大,通过2种螺杆组合制备的再生胶的拉伸强 度均呈现先增大后减小的趋势。从图4(a)可以 看到采用组合I时再生胶的拉伸强度在主喂比 约为1.6处达到最大值(10. 5 MPa),当更换为 组合n后出现最大拉伸强度所需的主喂比提前 至1.4,且拉伸强度增大至13.3 MPa。由图4 (b)可以看到,由剪切较强的组合n所制备的再 生胶在螺杆转速为100 r/min时拉伸强度就已经 达到了最大值(14. 3 MPa),而对于组合I则需 140 r/min的螺杆转速才出现拉伸强度最大值, 但只有11.2 MPa。随着脱硫温度的升高[见图 4(c)],由组合n所制备再生胶的拉伸强度在 180弋附近达到最大值14.4 MPa,之后急剧下 降;而组合I的最大拉伸强度(11. 3 MPa)出现 在220丈左右,但之后减小的趋势要比组合n 小很多。另外,由组合I所制备再生胶的扯断 伸长率均停留在340%左右,而组合n较为优 异,达到了 420% ~440%。
综合以上实验分析可知,用螺杆组合n所制 备再生胶力学性能的优势在于组合n固有的剪 切作用要强于组合I,交联硫键受到的破坏也 更强烈,在较低的工艺参数调节幅度下即可达 到制备最佳力学性能的断链状态。此时若继续 调高工艺参数则会造成剪切过强,使得橡胶内 的分子链大量受破坏,最终导致再生胶力学性 能的下降。
3结论
a)螺杆组合对于废旧轮胎胶粉脱硫制备再 生胶的工艺影响很大,螺杆组合对用废旧轮胎胶粉制备再生胶工艺的影响,适当的缧杆组合对废旧轮 胎胶粉的脱硫更为有利,再生胶的力学性能得到 明显改善,因此螺杆组合的设计在废旧轮胎胶粉 脱硫再生工艺的优化上显得非常关键。
b)不论是采用螺杆组合i还是组合n ,工 艺参数主喂比、螺杆转速和脱硫温度对废旧轮胎 胶粉的脱硫效果及再生胶力学性能的影响不同, 其中脱硫温度和螺杆转速的影响程度较高。
〇采用螺杆组合n进行废旧轮胎胶粉挤出脱 硫制备再生胶时,在螺杆转速1〇〇 r/min,主喂比 1.4及温度分别为190丈(1区)、180£€(11区)和 160 ^(迅区)的条件下再生胶的力学性能较好,拉 伸强度达到14.4 MPa,扯断伸长率约为446%,此 时废旧轮胎胶粉的凝胶质量分数由脱硫前的 86. 32%降至77.56%,交联密度则由脱硫前的 14. 86 x 10_5 mol/cm3 降至 5. 38 x 10mol/cm3。
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