橡胶粉碎技术的研究及应用

　　橡胶粉塍术究及应用马正先（辽宁工程技术大学，阜新123000）摘本文针对橡胶的基本特性对橡胶的粉碎进行了理论分析，介绍了几种典型的橡胶粉碎技术及应用状况。

　　1橡胶粉碎的目的和意义橡胶粉碎是为了废弃橡胶的回收再利用，国内外橡胶特别是轮胎的产量逐年递增，废弃橡胶特别是废旧轮胎的数置随之增加，不仅造成资源的巨大浪费，而且对生态环境破坏严重，目前仍是世界难以解决的问题之一。若能将这些废弃的橡胶加工成一定粒度的梢细胶粉再利用，不仅能取得较篼的经济效益，而且能取得巨大的社会效益，这也是目前经济适用、有利于环境保护的解决办法之一。

　　2橡胶的基本特性橡胶是一种高分子材料，具有篼弹性和篼储能性，在较小外力作用下能产生很大的形变，而在释除载荷后又能很快恢复到近似原来的形状，其应力-应变曲线如所示。NR的拉伸强度和扯断伸长率随温度的变化如所示，在常温下它稍带塑性，加热后慢慢软化，在温度升到130t时完全软化；随温度的降低。它又逐渐变硬，在X：时弹性大幅度下降，在-70t时丧失弹性变成脆性物质。由可以看出，达到脆性温度时，扯断伸长率很小；而在常温下，应力水平很低就能使其产生很大的变形；温度越篼，变形量越大。故一般认为橡胶在深冷条件下易于粉碎。

　　3典型粉碎技术及应用基于橡胶的上述特性，橡胶粉碎的方法大致可分为化学法、低温粉碎法和常温粉碎法三种。化学法是利用化学溶剂使胶粒变脆或溶胀软化后进行碾磨粉碎，胶粉细度可达0.25mm以下，但因受化学溶剂限制，很难形成大规模生产，且对环境和胶粉的物理性能影响较大，一般工业生产不宜采用。

　　为了更好地制取梢细胶粉，人们探索发展了低温粉碎和常温粉碎两种橡胶粉碎的方法和技术。低温粉碎起源于本世纪70年代，它是利用液氮在常压下汽化温度低达-1t的特点冷冻胶粒，使其达到脆化温度，再输入撞击式粉碎机中细碎。此方法具有工艺简单，无污染，粉碎热低的优点，但能耗太大，一般每千克胶料消耗。8~1.2kg液可得到20~40的0.4mm以下的胶粉，其处理量决定于液氮的供给1，致使生产成本很篼。为了降低能耗，减少生产成本，国内某单位研制了涡轮制冷粉碎技术，采用空气涡轮制冷替代价格昂贵的液氮制冷，取得了较为理想的效果。常温粉碎技术在国外已研究多年，国内在近几年也进行了相应的研究与开发，并取得了较大的进展。常温粉碎方法一般采用剪切撕裂、摩擦、高速加载等方式的粉碎机，并辅以循环冷却，胶粒不需冷冻，直接送入粉碎机粉碎。此方法的优点是工序简单，所需设备少，处理贵大，成本低，占地面积小，橡胶粉碎后粒径分布相对较窄，大部分胶粉细度能达到60目的细度要求。但025mm以下的细粉较少，产量低，无法形成精细胶粉的工业化规模生产；由于采用剪切撕裂粉碎方式，且胶粉又未经冷冻，粉碎时胶粒变形很大，产生大1的粉碎热，使胶料急剧升温，处于脱硫或半脱硫状态，很大程度上降低了橡胶的物理性能，尤其是夏季。

　　3.1低fl粉碎技术及应用低温粉碎技术是利用低温脆化特性粉碎常温下难以粉碎的物料的一种技术，与常温粉碎的区别在于系统、物料冷却装置和粉碎机。

　　低温粉碎的主要特点：利用材料的低温脆化特性，可粉碎常温下难以粉碎的物料，如橡胶、热塑性塑料等；粉碎热敏性物料，可防止粉碎过程中材料的变质；粉碎复合材料构成的废弃物料，如汽车、废轮胎、废家电、废电线等由金属、橡胶、塑料、纤维等物性各异的组合材料，利用脆化温度的不同可进行选择性粉碎；粉碎后制成品的成型好，堆比重大，流动性好；可减少粉碎的功率消耗，提高粉碎机产量；防止在粉碎产生臭气、噪音及粉尘爆炸等。

　　根据低温制冷方式的不同，目前，低温粉碎系统主要有液氰制冷和涡轮制冷两种。

　　液氮制冷低温粉碎系统及设备液氮制冷低温粉碎系统按液氮加入的位置不同分为三类：一是液氮直接加入料仓，将原料冷却到低温，再送到处于常温的粉碎机中粉碎。它适用于物料对发热影响不大，仅利用低温脆化来粉碎的场合，如废弃物料的粉碎。二是液氮直接加入粉碎机，物料未经冷却脆化即进入粉碎机，其目的在于控制物料在粉碎时发热，以免高温下变质。它适用于食品、贵重药材以及芳香性物料的粉碎。三是液氮同时加入料仓和粉碎机中，物料首先在料仓内冷却至脆化，并在保持低温的粉碎机内粉碎，这是典型的深冷粉碎加工，篼分子材料必须采用这种方法才能粉碎。故橡胶的低温粉碎应采用第三种方法。

　　低温粉碎时，促使物料低温脆性破坏的力主要是冲击力，其它像剪切、压缩、磨削等力的作用效果并不明显。因此，低温粉碎机应采用高速冲击式粉碎机为好。常用的粉碎机类型有以下几种：CW型宽腔冲击磨（ContraplexWide-chamberMill）是德国某公司开发生产的。它利用两转子的速度差被其上的棒销撞击、剪切而粉碎，成品随气流排出机外而捕集。具有单转子的销棒式粉碎机亦可用于深冷粉碎，它是在门侧的销棒盘固定不动。

　　销棒式深冷粉碎系统是将液氮喷入螵旋给料机与物料充分混合，冷至玻璃态转化温度后进入粉碎机。粉碎机可采用宽腔双冻盘销棒式粉碎机，亦可采用单动盘销棒式粉碎机。

　　本装置由排气温度控制液氮进入量，单位液氮耗1较少。

　　SuperMicroMil丨型超细粉碎机是由日本某公司开发生产的，它是由水平轴上设置的两个串联的粉碎-分级室、风机、定量加料机（圆盘式或蠼旋式）等组成。粉碎-分级室由带撞击叶片的转子和定子衬套以及分级叶轮组成，分级叶轮下方均设有排渣装置。两串联的粉碎-分级室之间用隔环分隔。

　　涡轮式粉碎机是由2~4级叶轮组成，定子是直槽齿圈，物料在叶轮及叶轮和齿圈间的涡流区内，受到冲击及高铎震荡而粉碎。

　　振动磨深冷粉碎系统中的物料在料斗内用液氮浸泡冷却，经旋给料机进入振动磨，并进行深冷粉碎。根据需要，粉碎机中亦可加入液氮，以保持在较低温度下进行粉碎。

　　空气低温粉碎系统及设备液氮制冷低温粉碎技术是将橡胶冷冻到脆化温度，然后再采用撞击摩擦粉碎的方式进行细碎。而空气的制冷温度远不及于液氮低，粉碎橡胶前进行必要的降温处理是必要的，但并非一定要冷冻到橡胶的脆化温度才能得到有效的粉碎。因为冷冻的目的有两个：一是用于抵消粉碎时产生的摩擦热，阻止胶粒处于脱硫或半脱硫状态；二是可降低胶粒的扯断伸长率，使其易于粉碎，并且可大幅度减少粉碎热，提篼胶粉产量。

　　橡胶在Ot时弹性大椹度下降，达-76C时完全脆化，实践证明，将其冷冻到这两个温度间的某一温度，使其硬化便可实现上述两个目的。基于这一观点，为了降低粉碎作业的成本，研究开发了空气低温粉碎系统。

　　胶粉空气低温制备系统的关键是空气制冷技术和适宜的粉碎方式及系统的组合，空气低温冷冻胶粉生产中的制冷技术主要采用压缩空气涡轮制冷技术，为适应此制冷技术需选择相应的粉碎设备。

　　离心式粉碎机组成的空气低温粉碎系统该工艺中采用了新型离心式粉碎机和人字形槽动静压混合式气体轴承透平膨胀机等关键设备。空气由压缩机吸入，压缩至0.8Mpa后，经过后冷却，温度降至30t：以下，然后将冷凝下来的水分和油分离出去，再进一步纯化干燥，成为干燥无尘的压缩空气。流程中纯化设备非常重要，必须将空气露点温度降至-70t以下，以确保换热器不堵塞和避免被冷冻胶粒冻结成块。纯净的高压空气分为两路降温：一路由里昂冷冻机组降温；另一路在回热器中被从粉碎机返回的冷气所冷却。这两路被冷却下来的高压空气汇合后，由透平膨胀机制冷，温度降至-120t：~-130t：，这股深冷空气的一部分将橡胶冻硬冻脆，另一部分则进入粉碎机带走橡胶在粉碎过程中所产生的热1，使橡胶能在玻璃化温度以下进行粉碎。

　　后，从粉碎机出来的冷气进入回热器回收后经袋滤排空。

　　废旧橡胶（轮胎）经过常温破碎成8~32目的胶粒，经烘干后作为冷冻胶粉生产的原料。胶粒被从透平膨胀机出来的冷气冷冻以后进入粉碎机粉碎，经过筛选后，粗胶粒进入粉碎机重新冷冻粉碎；合格的精细胶粉进入料仓储存、检验、称量该系统k采用的离心式粉碎机的结构像一台离心泵一样，当物料从粉碎叶轮的中心进入粉碎腔后，通过叶轮的篼速旋转，可将物料击到外圄的齿板上面而粉碎。具有粉碎过程生热1小、生产效率篼、生产能力大等特点。

　　气流磨组成的空气低温粉碎系统气流磨粉碎冷冻胶粉的工艺流程中空气由压缩机吸入，压缩至0.8Mpa后，经后冷却器、储气罐，通过油水分离器，将水分和油分离，温度降为30C左右，再进一步净化干燥成干燥的压缩空气后进入磨机，入口压力为0.55Mpa（压力）。采用空气循环制冷技术，将粒度为20目的胶粒冷冻至-80t，通过气力输送将其送至料仓后。进入气流磨。入磨的物料经粉碎随气流沿切线方向进入旋风除尘器被捕集，极少1的微细粉被引入袋式除尘器捕集。

　　该工艺具有以下主要特点：整机在全负压、全封闭状态下进行，粉碎是在物料自身对撞下完成，无产品和环境污染；分级机采用高铎变速电机，可任意调速，对物料进行各种粒度的分级，粒度集中（产品粒度集中在80~120目占87以上）；系统采用微机自动控制，操作方便可靠；粉碎过程生热少，设备磨损小，寿命长且产量大（单机产量达150kg/h），因此能耗低（耗电75.5度）、生产效率篼。

　　3.2常1粉碎技术及应用在脆性状态下粉碎橡胶是节能的，为此粉碎橡胶的方法中首先选择的便是将橡胶冷冻。冷冻粉碎方法虽然具有一系列的优点，但因其设备、系统庞大、投资颇多，预先冷冻所消耗的能量使得冷冻粉碎几乎无利可图，因此并未获得推广。

　　事实上，根据橡胶的机械力学特性分析，如果加载速率非常高。并采取适当的冷却措施，能使粉碎过程中产生的热量及时散去的话，在室温中脆性状态下粉碎弹性体也是可能的。

　　（1）常用的机械粉碎设备U）高速机械冲击式粉碎机，如CZM系列粉碎机等。

　　辊式粉碎机，如DCP单辊齿形破碎机等。

　　抛磨机（或钢刷磨碎机），它是通过电动机直速或电动机由三角皮带传动增速，借以运转所装备的销钉（或钢刷）转轮磨碎装置，而通过转轮上所装设的锐利的销钉尖（或钢刷）磨碎轮胎的踏面。销钉由优质钢制造，当其磨钝后还可以进行拆换。选择不同的钢刷上钢丝的粗细及硬度，可控制产品的粒度。

　　橡胶粉碎机组，橡胶粉碎机组由切碎机、中碎机、细碎机、筛粉、除纤维等装置组成。它统一输送，集中过滤，具有工艺流程设计合理、操作方便、占地面积小、能耗低等特点。

　　其主要技术参数见表1.表1檐胶粉碎机组的主1技术参ft型号进料粒度粉碎细度处理ft切机中碎机细碎机（2）采用可视和红外线激光产生光液压脉冲，在室温下粉碎脆性状态的橡胶制品光液压效应的主要特点是脉冲持续时间，特别是前波，要比各种方法产生的液压波短得多。机械和电动液压脉冲持续时间不少于1（T2~1（T3S，而光液压脉冲的持续时间可达到106~1（T9S.在如此短的加载时间内，胶料的破坏具有脆性性质，因为要使胶料保持弹性，必须让聚合物篼分子在外加载荷下取向及所有原子均匀移动，这要求加载时间不少于如果能造成扩大胶料脆性裂纹的条件，胶料的脆性破坏将更加有效。当胶料在应力状态下，可产生这种条件。拉伸轮胎胎圈，便能在应力状态下粉碎旧轮胎。因为轮胎的断面呈马蹄形，而钢丝圈靠近轮胎的内表面，胎圈拉伸产生的应力会使大部分胶料脱离胎圈。此外，由于钢材的强度和塑性在室温下与不同加载的速率关系不大，选择冲击能f可按不破坏钢丝为限。

　　这一工艺过程可采用可视和红外线范围的激光做光源。

　　当聚焦于水中的金属表面，或者水中有足够的杂质（工业水），并且辐射强度足以使水沸腾时，水整齐中会产生非线性效应，致使因大量吸收能量而压力急剧升高，导致浸入水中的物体表面受到强烈的机械作用。只要有足够的能量，在大多数情况下，将产生压差很大的液压波。

　　光液压效应的标准参数由激光辐射参数而定：脉冲持续时间为106~109s，功率为109 W，频率可达10这种工艺可以采用各种结构的加工装置，可以加工大型轮胎（见室温中脆性状态下粉碎废旧轮胎）。加工装置有一支承框架，用来支承装置的其它部件和承受工作负荷；支承框架中设置轴线对称的活水防护室，用于脉冲粉碎轮胎，必要时进行胶料的补充粉碎；防护室中的轮胎夹持器为上下夹持盘，夹持盘与支承框架和防护室活动连接；轮胎轴向拉伸器是防护室中的活动架；激光器设在防护室的底部，光通道有一用耐冲击玻璃制成的可更换的端盖；为了更有效地利用光液压脉冲能1，还设有锥形反射器。

　　此方法与电液压冲击冷冻粉碎法比较，电液压冲击波15X103S的能耗为20kJ，而光液压脉冲（脉冲功率相同）7x106s的能耗为10J.即使考虑到激光的有效功率（2）比电液压脉冲（90）小，它仍然是非常经济的粉碎方法。电液压冷冻法粉碎1kg胶料的能量消耗是235 kJ/kg，而用激光只需要12kj/kg.当脉冲频率为50 Hz时，加工一条轮胎的时间是0.4s.此外，该方法还具有以下优点：加工过程生态安全；能加工任何型号和规格的轮胎；通过调节光液压粉碎条件或（和）工作液体的成分，能使制成的胶粉粒径达到所f要的极小的范围；能无限制重复利用工作介质。