汽車保險杠塑料密封膠條混合碎料溫熱法分選

趙禮弢 蔣宇軒 趙 敏 李如燕 王景偉

(上海第二工業(yè)大學 a. 資源與環(huán)境工程學院;b. 上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201209)

0 引言

2021 年 6 月,中國汽車保有量達 2.8 億輛,超過美國成為全球汽車保有量第一的國家[1-2]。據(jù)統(tǒng)計,中國每年需要報廢的車輛已達千萬輛以上,而目前報廢汽車的回收率僅1%[3]。在報廢汽車回收過程中,拆除發(fā)動機、變速箱等零部件后,對余下部分進行壓縮、破碎和分選處理[4], 其中金屬破碎物用磁選等法進行分選,剩余細碎物稱為汽車破碎殘余物(automobile shredding residue, ASR)[5]。ASR 一般占整車質(zhì)量的15%～25%,由于難以分離,通常作為垃圾直接進行填埋或焚燒[6]。據(jù)報道, 世界上此類固體廢物的燃燒產(chǎn)生了全球5%的碳排放,隨著汽車輕量化、智能化、電動化和各種新材料的廣泛使用,ASR 中塑料、橡膠等有機物比例進一步增加,因此解決ASR 的資源化問題,其中塑料和橡膠的有效分離顯得尤為重要[7-8]。然而,橡膠和塑料在顏色、密度、硬度、彈性等基本性狀具有較高的相似度,其混合料存在分選困難、混合料雜質(zhì)含量高、不易去除的特點[9-11];重力分選、跳汰分選、風力分選、光電分選等傳統(tǒng)分選工藝無法高效分離混合橡膠和塑料廢料[12]。因此,為提高廢橡塑的分選效率及其再生產(chǎn)品價值,開發(fā)高效的廢舊橡膠塑料分選工藝十分必要。

車輛用塑料大部分為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、ABS 塑料和聚氯乙烯(PVC)等, 此類塑料為熱塑性,具有受熱后軟化的性質(zhì)[13-14]。本文設計了一個加熱滾筒式篩分裝置和分選工藝,通過精細調(diào)節(jié)裝置的加熱溫度,設備核心部分整體實現(xiàn)溫度溫和同步升高,通過熱傳導,塑料破碎物顆粒表面黏度均勻升高,彼此間更易粘連成直徑更大的顆粒,而橡膠在此溫度下顆粒表面黏度變化很小,橡膠顆粒間粘連幾率小,最后通過傳統(tǒng)篩分工藝,將粘連后的塑料顆粒和未發(fā)生粘連的橡膠顆粒利用篩分工藝分選,由于分選是在加熱溫度相對較低的條件下進行的,本文所用方法定義為“溫熱法”。

1 研究實驗

1.1 實驗設備與材料

報廢汽車的前保險杠塑料和汽車窗橡膠密封條作為實驗材料, 同時PP 塑料板碎料作為輔助橋接劑。實驗設備為帶旋轉(zhuǎn)功能、可精細調(diào)溫的加熱設備,其主要構(gòu)成為弓字型金屬肋條、耐火磚、熱電偶和溫控儀,金屬肋條上裝配耐火磚;耐火磚內(nèi)均勻布置電阻絲;溫控儀分別和電阻絲、熱電偶電性連接;熱電偶控制金屬殼體表面的溫度。金屬殼體通過軸與電機相連, 電機轉(zhuǎn)速由變頻器控制。試驗設備如圖1 所示,分選工藝如圖2 所示。

圖2 工藝流程Fig.2 Process diagram

1.2 實驗變量與計算

塑料在某一溫度區(qū)間內(nèi)表面熔融軟化而產(chǎn)生黏滯力,該黏滯力僅可使塑料彼此間大量結(jié)合而不結(jié)合或少量結(jié)合其他材料, 溫熱分選法是在這一溫度區(qū)間內(nèi)進行的。在此溫度區(qū)間內(nèi),塑料相互碰撞會由于熔融軟化產(chǎn)生的黏滯力而抱團與聚合,其中塑料破碎物表面的黏滯力

式中:F為黏滯力;η為塑料表觀黏度;S為塑料破碎物橫截面積;為剪切速率。

熱塑料性聚合物黏度隨溫度變化明顯,但隨壓力不同發(fā)生的變化較小。由式(1)可知,在溫熱狀態(tài)下控制塑料團聚的黏滯力F,其主要變量塑料表觀黏度η的變化受溫度控制,破碎物橫截面積S與顆粒大小相關。同時轉(zhuǎn)動時間越長, 提供給破碎物顆粒的碰撞機會越多,因此實驗加入時間為變量共同討論。

同時使用抱團率P來表示混合破碎物在溫熱法分選后的黏合程度。P(A)表示僅含塑料破碎物的實驗中的抱團率:

P(AB)表示含塑料、橡膠的混合破碎物的實驗中的抱團率:

式中:A為總塑料添加量;an為樣本中過篩后塑料抱團顆粒物質(zhì)量;abn為樣本中過篩后塑料與橡膠抱團顆粒物質(zhì)量;bn為樣本中抱團顆粒物粘黏的橡膠質(zhì)量。

1.3 實驗方法

首先將報廢汽車的前保險杠塑料和汽車窗橡膠密封條分別用剪切式破碎機破碎, 然后分別用5、6、7 和 8 mm 孔徑篩篩分,取 5 mm 篩上和 6 mm篩下顆粒物與7 mm 篩上和8 mm 篩下顆粒物備用;分別選取在不同溫度和不同加熱時間條件下進行加熱抱團實驗,在實驗前對設備進行預熱30 min,待設備整體溫度穩(wěn)定后開始進行實驗,實驗結(jié)束后,按所選的不同實驗粒徑過6 mm 孔篩或8 mm 孔篩進行篩分分離。

利用有限元軟件ANSYS 對所設計的設備進行建模和模擬分析, 研究設備加熱場的整體分布, 通過改進相關參數(shù),優(yōu)化最終設計。其中模擬條件:鍋體導熱系數(shù)為15.1 W/(m·℃); 外部保溫材料導熱系數(shù)為0.28 W/(m·℃); 內(nèi)部空隙均為空氣導熱系數(shù)為26 mW/(m·℃); 熱源為鍋體外部環(huán)繞電熱絲,模擬時恒定加熱溫度為162 ℃,外部為理想靜止邊界條件,恒定溫度為22 ℃,裝置與外界空氣進行對流換熱。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫熱分選設備有限元模擬結(jié)果與分析

為考察設備內(nèi)熱場分布情況, 利用ANSYS 軟件對設備核心工作區(qū)域做仿真模擬研究,圖3 所示為ANSYS 的熱場和傳熱系數(shù)分析模擬結(jié)果。設備在加熱狀態(tài)下,整體導熱和升溫相對均勻,內(nèi)部旋轉(zhuǎn)鍋體區(qū)域(見圖3(b)紫色框圖內(nèi))熱場分布均勻,冷區(qū)主要集中在與電動機相連的轉(zhuǎn)軸附近;傳熱系數(shù)分析模擬可知,由于大部分區(qū)域保溫材料導熱系數(shù)較小,熱量損失較少,而轉(zhuǎn)軸為金屬材質(zhì),熱由轉(zhuǎn)軸向外傳導,使得內(nèi)部鍋體靠近轉(zhuǎn)軸半?yún)^(qū)低于前部,但此區(qū)域與破碎料接觸機會很少,由于鍋體斜向上40°安裝,但內(nèi)部物料主要集中在圖3(c)所示藍色核心區(qū)域,轉(zhuǎn)軸冷區(qū)對鍋體內(nèi)部熱傳導和熱場均勻分布的影響相對有限。

圖3 分選設備限元軟件模擬圖Fig.3 Simulation of sorting equipment

2.2 溫度和加熱時間對塑料抱團分選的影響

每組取等量5 mm 篩上的汽車保險杠破碎料,分別研究在不同加熱溫度下塑料顆粒的抱團分選率,根據(jù)式(2),其結(jié)果如圖4 所示。在轉(zhuǎn)速為24 r/min,塑料顆粒間的抱團分選率隨溫度提升而逐步提升,在達到閾值溫度后,由于塑料進入軟化和熔融狀態(tài),塑料顆粒間碰撞次數(shù)減少,與轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁粘合現(xiàn)象增多, 抱團分選率呈現(xiàn)急速下降的趨勢。由圖4(a)可知, 當溫度達到162 ℃時, 抱團分選率達到最大值67.93%; 而溫度達到163 ℃時, 抱團分選率大幅降低。因此,可以將162 ℃作為該類保險杠破碎塑料顆粒較優(yōu)的“溫熱法”分選溫度。

每組取等量5 mm 篩上汽車保險杠破碎料, 在加熱溫度為162 ℃,轉(zhuǎn)速為24 r/min 條件下,通過延長試驗時間可以顯著提升塑料抱團分選率。由圖4(b) 可知, 其最高可達到 82.92%, 但當試驗時間達到90 min 時,出現(xiàn)了破碎物大量粘黏在設備內(nèi)壁的現(xiàn)象,導致抱團分選率大幅下降。因此,在該條件下,較優(yōu)化的抱團時間為80 min。圖5(a)為加熱前廢塑料原料,圖5(b)為抱團塑料篩分后的產(chǎn)物,由圖中可知,塑料顆粒至少有兩顆,多數(shù)抱團塑料都在3 顆以上,在進行下一步篩分工藝時,保證實現(xiàn)了抱團的塑料顆粒都可以被有效篩選出來。

圖4 加熱溫度和加熱時間對廢塑料顆粒抱團分選的影響Fig.4 Effect of heating temperature and time on the means of separation of waste plastic particles

圖5 162 ℃條件下加熱80 min 塑料顆粒圖Fig.5 Diagrams of plastic particles heated for 80 min at 162 ℃

2.3 橋接劑PP 塑料顆粒添加對保險杠塑料抱團分選率的影響

由于汽車塑料內(nèi)含有較高的無機填料或鍍膜成分, 導致廢塑料顆粒在升高溫度后, 其表面黏度升高幅度有限。為進一步提高塑料顆粒抱團分選率,額外添加了與汽車塑料成分相同的塑料顆粒作為橋接物,如圖6(a)紅色虛線框內(nèi)所示。每組取等量5 mm 篩上的汽車保險杠破碎料與PP 塑料板混合實驗,在加熱溫度為162 ℃,轉(zhuǎn)速為24 r/min,加熱時間為80 min 的條件下實驗,得到添加不同比例的同源塑料對塑料破碎物抱團分選率的影響,如圖7 所示。由圖可知,隨著添加量的增加,可大幅提高廢塑料抱團分選率,在添加40%時,其抱團分選率達93.89%;而添加至50%時,抱團分選率無明顯變化。添加輔助橋接劑為厚度3 mm 的PP 塑料板破碎料,其厚度與汽車保險杠厚度基本一致,由于外加塑料為PP 材質(zhì),因此在分選后,可增加分選出來的塑料資源化利用價值,添加橋接劑PP 塑料40%為較優(yōu)的添加量。從圖6 可以看出,新添加的PP 塑料橋接劑多數(shù)情況下能夠起到比較好的橋接作用,少數(shù)橋接劑自身粘結(jié)成較大塊狀。研究過程中發(fā)現(xiàn)的有趣現(xiàn)象為不同塑料顆粒間黏結(jié)后狀態(tài)以規(guī)則的疊羅形式較多, 符合式(1)描述的破碎物橫截面積越大,黏滯力F越大的特征,如圖6(b)紅色虛線框內(nèi)所示。

圖6 162 ℃加熱80 min,添加40%PP 塑料圖Fig.6 Diagrams of plastic adding 40%PP by heating at 162 ℃for 80 min

圖7 添加PP 塑料板顆粒對廢塑料抱團分選率的影響Fig.7 Effect of PP plastic board particles on the separation rate of waste plastic

2.4 添加橡膠顆粒模擬汽車破碎殘渣分選結(jié)果

普通車輛橡膠用量大約在80 kg/臺, 占總質(zhì)量的5%, 而汽車塑料占比約為8%～10%[15]。由于輪胎和金屬都是單獨處理,最終非金屬破碎物中塑料和橡膠大致質(zhì)量比為3:1。因此模擬料中每一份保險杠破碎料都添加30% 的橡膠破碎物, 同時添加40%的PP 塑料板作為橋接劑,在較優(yōu)的溫度162 ℃時,據(jù)式(3)得到其分選率如圖8(a)所示,當時間控制在80 min 時,相對較多的橡膠顆粒被塑料顆粒裹挾或直接粘附于塑料顆粒,為后續(xù)分離工作帶來困難,因此當加熱時間控制在60～70 min 時,此時塑料顆粒的抱團分選率最高為70.5%, 抱團物橡膠含量由 5.03% 提升至 6.88%,提升幅度 1.85%。在相同條件下, PP 塑料板純料破碎物在80～90 min 時, 抱團物橡膠顆粒含量從 4.60% 提升至 8.28%, 提升幅度3.68%,提升幅度變化較大,表明保險杠塑料在溫熱分選過程中由于黏滯力大幅提升,使過篩后的抱團物含橡膠量激增,因此,當添加了橡膠顆粒物后,分選時間應控制在70 min 內(nèi)。

添加了30% 汽車窗密封橡膠條碎料的結(jié)果如圖8 所示。研究表明在70 min 加熱時間時,橡膠裹挾量較低,塑料顏色變化較小。圖9(b)為80 min 加熱時間的產(chǎn)物,從顏色上判斷,在該加熱時間內(nèi),塑料顆粒表面顏色比圖9(a)的塑料顆粒顏色深,其顏色主要來自于在加熱旋轉(zhuǎn)過程中保險杠塑料黏滯力增大而導致從橡膠顆粒表面剝離更多細微顆粒物,導致較多橡膠顆粒物粘附在塑料表面,塑料顆粒表面顏色大幅加深。

圖8 添加30%橡膠破碎料塑料抱團分選率Fig.8 The separation rate of plastic agglomeration after adding 30%rubber crushing materials

圖9 添加30%橡膠模擬破碎料分選結(jié)果Fig.9 Separation results of simulated crushing materials with adding 30%rubber

2.5 破碎顆粒粒徑對模擬破碎料抱團分選率的影響

每組取等量7 mm 篩上汽車保險杠破碎料, 添加30% 的橡膠破碎物, 同時添加40% 的PP 塑料板,轉(zhuǎn)速為24 r/min, 在較優(yōu)的162 ℃時, 在各個溫度段塑料抱團分選率皆有所提升(見圖10),符合式(1) 的描述, 尤其是在70 min 時塑料抱團率達到最高(78.67%)。而此時5 mm 的破碎料抱團分選率為70.5% (由圖8 可知),得出當其他條件不變,塑料顆粒增大,橫截面積S增加,黏滯力F增大,從而有助于提升分選率。

圖10 7 mm 篩上破碎料塑料抱團分選率Fig.10 Plastic clump separation rate of 7 mm crushing materials

2.6 汽車保險杠塑料和添加橋接劑PP 塑料板紅外光譜圖

紅外光譜圖譜分析表明(見圖11),兩種材料主要的紅外光譜峰類似,少部分峰型無法完全吻合(見黑色虛線圈處), 主要與兩種塑料材料所用填料不同有關。本文中所用汽車保險杠塑料與添加橋接劑PP 塑料板基本成分趨同,添加PP 塑料板破碎料有利于汽車保險杠塑料的進一步資源化回收和處理,可分別提升塑料類廢物和橡膠類廢物的資源化利用價值。

圖11 汽車保險杠和PP 塑料板紅外光譜Fig.11 Infrared spectrum of automotive bumper and PP plastic plate

3 結(jié) 論

(1)溫熱法可以較有效地分選廢棄塑料與橡膠,分選該種材料的較優(yōu)溫度為162 ℃,該法在提升汽車有機破碎料資源化利用價值方面具有一定的實際意義。

(2) 對該類汽車破碎物殘渣的分選過程應控制加熱時間在70 min, 塑料的抱團分選率可達到68.2%～70.5%, 橡膠裹挾量可控制在 5%～7% 左右,隨著破碎殘余物粒徑的增加,塑料的抱團分選率呈現(xiàn)增加的趨勢。

(3)添加質(zhì)量分數(shù)40%的PP 塑料橋接劑,可減少汽車保險杠塑料無機填料含量較高、鍍膜等不利于塑料抱團的因素,可較顯著地提高廢塑料抱團分選率,有利于橡膠廢物和塑料廢物單獨資源化利用,提高其各自附加值。