一種廢舊酚醛塑料粉碎回收裝備的設計

羅 輝 洪 文 郝 明

（合肥工業(yè)大學智能制造技術(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用，但是其物理性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕等特性導致其難以降解[1]。廢棄的酚醛塑料制品具有一定的毒性，導致酚醛塑料廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生了較大的負面影響。因此，為了實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用和酚醛塑料產(chǎn)業(yè)的長遠發(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，在廢舊酚醛塑料燃燒過程中會產(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機填料，而溶劑法和熱解法成本較高。機械粉碎法具有回收成本低、工序簡單、操作方便等優(yōu)點，適用于低質(zhì)量填料的酚醛塑料回收[5]。針對機械粉碎法，本文研究開發(fā)一套適合廢舊酚醛塑料破碎回收的設備。設計的新設備產(chǎn)出的磨粉材料適合作為無機填料添加到其他材料中制成再生制品，從而實現(xiàn)酚醛塑料的回收再利用。

2 機械法再生機理

機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]。在粉碎過程中，酚醛塑料受到機械力的作用，在接觸處產(chǎn)生應力場。隨著機械力的作用不斷產(chǎn)生熱量，隨著應力場的應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，分子中較為薄弱的化學鍵開始斷裂，斷裂處產(chǎn)生活化基團[7]。隨著機械力的不斷作用，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，使得粉末表面受到活化，恢復部分再加工成型能力。再生機理如圖1所示[8-12]。

圖1 廢舊酚醛塑料機械法再生機理

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)過擠壓進一步減小物料體積，最后由研磨機構(gòu)研磨成粉末狀[13]。廢舊酚醛塑料粉碎設備將粉碎、磨碎以及研磨設計為一體，將清洗烘干后的廢舊酚醛塑料從進料口進入，先粉碎至10 mm 左右，然后進入磨碎裝置，待磨碎粒度達到2 mm 以下后進入研磨裝置，隨后進行篩分，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架、粉碎倉、磨碎倉、研磨倉、研磨倉調(diào)節(jié)裝置、篩分倉、動力系統(tǒng)（如電機1 和電機2）及控制組件等8 個部件，如圖2 所示。

圖2 酚醛塑料粉碎機整體布局

機架是用來支撐、安裝設備的模塊，主要由一些鈑金件及控制箱組成。

在粉碎倉內(nèi)，通過刀片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撞擊剪切作用，將大塊的物料破碎成大塊物料。粉碎倉主要包括粉碎箱、電機、傳動桿、刀架、刀片、定刀具、篩網(wǎng)以及導料斗。粉碎箱安裝在支撐架的頂部，開設有進料口和底部出料口；電機安裝在支撐架上，帶動傳動桿轉(zhuǎn)動；傳動桿安裝在支撐架上，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，與粉碎箱圍成一個粉碎空間；刀架安裝在傳動桿的圓柱面上，刀片安裝在對應的刀架上；定刀具安裝在篩網(wǎng)的內(nèi)壁上；刀片通過相鄰的兩個定刀具撞擊、擠壓、攪動、振動、剪切從進料口進入的酚醛塑料，通過篩網(wǎng)的酚醛塑料進入磨碎倉的導料斗[14]。

磨碎倉的作用是進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，設計為滾筒式擠壓，包括兩個滾筒、傳動桿和斜齒輪組。滾筒安裝在支撐架上，且轉(zhuǎn)動軸平行設計，并位于導料斗下方；電機通過傳動桿和斜齒輪組帶動兩個滾筒相向轉(zhuǎn)動，使從導料斗落下的酚醛塑料在粉碎縫隙中擠壓、剪切以及磨削。

研磨倉的作用是將物料研磨成細小顆粒，以達到工藝要求。研磨倉包括電機、錐形刀片組、多個應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動。錐形外刀具的內(nèi)壁上以環(huán)繞錐形外刀具為中心軸設計成多條內(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，同時間隔出一個破碎腔。錐形內(nèi)刀具的外壁上設計成多條外刀齒，外刀齒彎曲斜向下且自上而下的凸出程度逐漸減小[15]。多個應變傳感器、溫度傳感器安裝在錐形外刀具的齒根處，均勻環(huán)形分布，用于檢測從磨碎縫隙落入研磨腔進行橫向剪切和縱向擠壓的酚醛塑料的應力與溫度。

考慮到研磨過程中會產(chǎn)生高溫高壓，而高溫影響刀齒強度，需要利用研磨倉調(diào)節(jié)機構(gòu)采取必要的保護措施。通過錐形外刀具的升降，可以改變錐形內(nèi)刀具和錐形外刀具的間距，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)研磨倉內(nèi)壓力和溫度的功能。

篩分倉通過風力將達到粒度要求的物料抽取出來，將不合格的顆粒經(jīng)過篩網(wǎng)落入傳送帶，利用傳送帶運送到研磨倉內(nèi)繼續(xù)研磨。篩分倉主要由篩網(wǎng)、篩網(wǎng)支架以及抽風機3 個部分組成。

動力傳遞系統(tǒng)關(guān)系到整個設備是否能夠正常運轉(zhuǎn)，一般采用V 帶傳動[16]。通過電動機經(jīng)V 帶將動力傳遞給刀架上的傳動軸，然后傳動軸帶動刀具開始旋轉(zhuǎn)破碎、剪切以及研磨酚醛塑料。

控制組件部分，通過多個應變傳感器和溫度傳感器來監(jiān)測酚醛塑料的應力和溫度?？刂葡到y(tǒng)在應力或者溫度小于設置區(qū)間的下限時，通過驅(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。在應力或溫度大于設置區(qū)間的上限時，通過驅(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，物料會通過間隙往外流出，同時帶走內(nèi)部部分熱量，從而降低內(nèi)部溫度。

4 設備破碎效果

按照工藝流程，將酚醛塑料從投料口投入，穩(wěn)定運行后從研磨倉出口取粉料樣品。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，可清晰看到粉料表面狀態(tài)的變化趨勢。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)越來越多的細碎狀突出，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

在廢舊酚醛塑料機械法再生機理的基礎(chǔ)上，設計集粉碎、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，實現(xiàn)了對研磨過程的實時監(jiān)測，提高了設備的安全性和使用壽命，同時實時采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)粉碎設備的優(yōu)化升級提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。此外，通過對不同目數(shù)粉料的顯微觀察，再一次證實了機械法回收的可行性和有效性。后續(xù)可針對不同的應用場景和需求，將粉料產(chǎn)品作為填料，對再生樣品中新舊粉料的配比進行實驗測試，并根據(jù)結(jié)果對廢舊酚醛塑料粉碎回收設備進行系列化的完善升級，使之能夠更好地滿足產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展要求。