李 潔,牛小云,許開強
(1.甘肅省生產(chǎn)力促進中心,甘肅 蘭州 730000;2.民勤縣威瑞環(huán)保有限責(zé)任公司,甘肅 民勤 733300)
利用廢舊地膜和廢鎳砂開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋
李潔1,牛小云1,許開強2
(1.甘肅省生產(chǎn)力促進中心,甘肅蘭州730000;2.民勤縣威瑞環(huán)保有限責(zé)任公司,甘肅民勤733300)
利用廢舊地膜、廢鎳砂等廢舊材料開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋,產(chǎn)品具有機械性能強度高、耐堿、耐熱、耐寒、彈性模量高、表面平整、美觀大方的特點,屬于節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品,本研究有效解決“白色污染”問題,提高了資源再利用率,有效保護了環(huán)境。
廢舊地膜;廢鎳砂;環(huán)保復(fù)合井蓋
地膜覆蓋栽培技術(shù)自20世紀(jì)70年代開始興起,迅速在歐美、日本等國家普及,80年代以后大多數(shù)發(fā)展中國家應(yīng)朋地膜覆蓋技術(shù)的農(nóng)田面積不斷擴大。但是,隨著地膜應(yīng)用的增長,其負(fù)面作用也逐漸顯現(xiàn)出來,由于殘膜不易回收難降解,對農(nóng)田和生態(tài)環(huán)境造成 了嚴(yán)重的影響,被人們由原來的“白色革命”改稱為“白色污染”。本研究采用廢舊地膜和廢鎳砂開發(fā)發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋,有效解決“白色污染”問題。
2.1主要原材料
廢舊地膜、廢鎳砂、交聯(lián)劑、防老劑、廢機油等。
2.2主要研究儀器和設(shè)備
HGDF-Ⅰ型控溫壓力機、電子天平、WD-Ⅰ型電子萬能測試機、偏光顯微鏡、電鋸、馬沸爐、掃描電子顯微鏡、單螺桿塑料擠出機、廢膜造粒機、井蓋成型機等。
2.3主要技術(shù)內(nèi)容
本項目將回收的廢舊地膜經(jīng)粉碎機粉碎成粉末狀后,加入31%~33%的廢鎳砂(按總量計),同時加入一定量廢棄機油、防老化劑等助劑,通過攪拌機充分?jǐn)嚢杈鶆?,高溫下進行塑化,使再生塑料由固態(tài)粒料轉(zhuǎn)變?yōu)轲ち鲬B(tài) (一般設(shè)定溫度為140~200℃),承壓成型為安全防盜井圈、井蓋;之后進行產(chǎn)品檢驗檢測。
2.4制備工藝
1)原料處理工序。將回收的地膜等塑料材料沖洗后送入廢膜造粒機組,出來的塑料顆粒按比例摻入工業(yè)廢鎳砂,通過增強、增塑、抗老化處理后送至成型工序。
2)成型工序。根據(jù)不同產(chǎn)品要求,將原料處理工序送來的半成品復(fù)合材料送至成型機加工成不同規(guī)格(輕型、普通型、重型)的井蓋、井圈。
3)質(zhì)量檢測。根據(jù)國家關(guān)于復(fù)合材料的有關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn),對生產(chǎn)出來的井蓋、井圈等進行質(zhì)量檢測,質(zhì)量檢測的方面包括其抗彎強度、缺口沖擊強度、抗壓強度、承載性等性能指標(biāo),對于不達標(biāo)的產(chǎn)品返回原料加工車間二次加工。
井蓋、井圈生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程圖
2.5產(chǎn)品性能
本研究開發(fā)的環(huán)保復(fù)合井蓋性能符合CJ/ T121-2000標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品的抗壓強度至少能達到35MPa、抗折強度至少達到18 MPa、抗凍融性抗壓強度損失率最大只有6%;熱老化抗折強度變化率最大0.3%;承載能力(允許殘留變形)1.0mm;主要性能檢測結(jié)果見表1:
表1 環(huán)保復(fù)合井蓋主要性能
3.1加工溫度的確定
溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素,廢舊地膜在一定溫度條件下發(fā)生熔融,與填料充發(fā)生機械混合。另外,熔體粘度與溫度成反比關(guān)系,因而會使得擠出機的擠出量會因溫度的變化而受到影響。溫度過低,廢舊地膜塑化不良,導(dǎo)致與填料的混合不充分,混合效果不理想。溫度過高,廢舊地膜容易產(chǎn)生分解、焦料甚至碳化現(xiàn)象,直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時,溫度的確定要同時考慮根據(jù)原料配方、擠出機、螺桿轉(zhuǎn)速的操作等綜合因素,因此綜合考慮上述因素,本研究溫度定為:加料段200℃、熔化段200℃、計量段200℃,該溫度下,材料混合均勻,擠出產(chǎn)品溫度較高,適于加工成型。
3.2防老化劑的選擇及用量確定
復(fù)合材料老化的主要原因是其基體的老化所致,造成復(fù)合材料老化的原因主要有以下三點:首先是高聚物中的老化弱點,如不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、催化劑殘留物等,會嚴(yán)重影響到高分子材料的老化性能,而這些老化弱點很多都是在聚合過符合程中被引入的;第二是在加工成型時,由于聚合物在熱、氧等的作用下發(fā)生熱老化;第三是在使用過程中,成品由于在空氣中與熱、氧、紫外線作用下,發(fā)生以自動催化氧化反應(yīng)為主反應(yīng)的氧化和分解。前兩種通??刹捎酶倪M聚合工藝及對材料進行工藝處理和后序處理等工藝解決。而第三種在使用過程中會隨著時間持續(xù)老化,必須對生成的游離基進行穩(wěn)定,同時由于本研究所用的材料為廢舊地膜,本身已有老化問題,在再生利用過程中除重點考慮加工溫度外,在應(yīng)用過程中應(yīng)重點考慮其使用過程中的老化問題,通常情況下都是選擇添加防老化及劑來解決,但是選擇適宜的防老化劑及確定其用量是研究工作中的一個重點。本研究選用了3種老化劑,通過人工加速老化試驗考察了其抗彎性能。試驗結(jié)果見表2:
表2 防老劑含量對材料機械性能的影響
從實驗結(jié)果可以看出采用防老劑1,用量在2%時到達到了最佳性能。
3.3廢舊地膜和廢鎳砂配比的確定
本研究中廢舊地膜作為基體材料,廢鎳砂作為增強材料,廢舊地膜的主要成分為聚乙烯PE,這是一種熱塑性的塑料,就是說其加熱時變軟以至流動,冷卻變硬,這種過程是可逆的,可以反復(fù)進行,這就是廢舊地膜可循環(huán)再生利用的前提條件,其主要起到粘合作用;廢鎳砂作為增強材料是由于其雖然是冶煉后的廢棄物,但是其成分中依然存在一定量的金屬鎳,還存在二氧化硅,這些都是非常好的增強材料。這兩種材料的配比直接決定產(chǎn)品的性能、使用強度及使用年限等。廢鎳砂含量相對增多時,使得產(chǎn)品中的孔隙增多,砂塑粘結(jié)性變差,產(chǎn)品內(nèi)部裂紋增多,從而在孔隙及裂紋處形成應(yīng)力集中,使得產(chǎn)品料機械性能降低,當(dāng)廢鎳砂含量相對減少時,產(chǎn)品韌性增加。另外,考慮保護環(huán)境及成本價格因素等綜合因素,本研究對廢舊地膜和廢鎳砂配比進行了對比試驗,結(jié)果見表3:
表3 廢舊地膜和廢鎳砂配比實驗
從實驗結(jié)果可以看出廢舊地膜和廢鎳砂配比在2:1時性能最佳。
3.4廢機油的用量確定
本研究采用廢機油作為分散劑,使得粉末狀廢地膜和廢鎳砂均勻混合,制備的井蓋井圈具有良好的機械性能;廢機油的主要成分為礦物質(zhì)油,這是一種良好的分散劑,其能夠與廢舊地膜、廢鎳砂有適當(dāng)?shù)南嗳菪裕瑢U鎳砂的表面進行有效潤濕,改性廢鎳砂粒子表面性質(zhì),防止固體粒子之間的團聚,因而能夠減少完成分散過程所需要的時間和能量,穩(wěn)定所分散的增強材料—廢鎳砂,調(diào)整廢鎳砂粒子的運動性。故此,廢鎳砂能夠穩(wěn)定地分散在廢舊地膜樹脂基黏流態(tài)中。本研究對廢機油的用量進行了研究,結(jié)果見表4。
表4 廢機油用量
從實驗結(jié)果可以看出廢機油用量在1.5%時分散效果最佳。
3.5交聯(lián)劑的選擇及用量確定
為了提高基體材料廢舊地膜的性能,必須對其進行一定的改性,交聯(lián)是聚合物改性的一種重要方法。目前,聚乙烯交聯(lián)的方法主要有:過氧化物交聯(lián)、高能輻射交聯(lián)、硅烷交聯(lián)等。本研究采用硅烷交聯(lián)改性,硅烷偶聯(lián)劑是一類分子中同時含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團的有機硅化合物,其曾粘作用主要是通過與聚合物生成化學(xué)鍵、氫鍵;潤濕及表面能效應(yīng);改善聚合物結(jié)晶性、酸堿反應(yīng)以及互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的生成等而實現(xiàn)的。其經(jīng)典產(chǎn)物可用通式Y(jié)SiX3表示。Y代表非水解基團。包括乙烯基或帶Cl、NH2、SH、環(huán)氧基、N3、OCOCMe=CH2、NCO等末端官能團的烴基,即碳官能基;X代表可水解基團,如OMe、OEt、OC2H4OCH3、Cl、OAc及OSiMe3等(最常見的是OMe,OEt)。Y中所帶的官能團容易和有機聚合物中如Cl、環(huán)氧基、NCO、OH、NH2、COOH、SH、CH= CH2等反應(yīng),從而使硅烷和有機基團連接;當(dāng)硅官能團水解時,則Si-X轉(zhuǎn)化成Si-OH,并副生HX,如中性的EtOH、MeOH、Me3SiOH、MeOC2H4OH及酸性的HCl、HOAc等。副反應(yīng)主要是Si-OH與Si-OH或被處理基材表面的Si-OH發(fā)生縮合脫水反應(yīng)形成Si-O-Si,還可與某些氧化物(如氧化鋁、氧化錫、氧化鋯、氧化鈦、氧化鎳等)反應(yīng),生成穩(wěn)定的Si-O鍵合,這一反應(yīng)促使硅烷與無機物或金屬連接形成化學(xué)鍵連接。我們在偶聯(lián)劑選擇中主要考慮具有自由基的種類,自由基型硅烷偶聯(lián)劑的作用機理以ViSi(OOBu-t)3為例,但在受熱下t-BuOO可分解產(chǎn)生自由基,與樹脂反應(yīng)形成共價鍵結(jié)合,并導(dǎo)致產(chǎn)生良好的粘結(jié)性。有人指出,在通式為:R`mR`4-(m+n)Si(OOR)n的過氧化硅烷中,過氧基越多,則偶聯(lián)效果越好。若分子中R`為不飽和基時,則偶聯(lián)效果更佳。因此,我們選擇KH-570(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)作為表面改性劑是適宜的。本研究也考察了交聯(lián)劑用量和產(chǎn)品抗彎強度的關(guān)系,結(jié)果見表5。
表5 交聯(lián)劑用量
從實驗結(jié)果看,交聯(lián)劑用量在2%時效果最佳。
1)本研究95%以上的原材料采用廢棄物,符合環(huán)境保護和資源再利用的要求。
2)本研究的最佳配方參數(shù)為廢舊地膜和廢鎳砂為2:1,防老劑、廢機油、交聯(lián)劑用量(以總質(zhì)量計)分別為2%、1.5%、2%。
3)利用廢舊地膜、廢鎳砂等廢舊材料開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋,產(chǎn)品具有機械性能強度高、耐堿、耐熱、耐寒、彈性模量高等特點。
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S223.5