Способ получения порошков из вторичных шинных резин

 

Назначение. Порошки из вторичных шинных резин в качестве вещества для получения регенерата или резиновых смесей. Сущность изобретения: способ получения порошков или вторичных шинных резин в экструзионном аппарате при термомеханическом воздействии, осуществляемом по крайней мере, в двух последовательно расположенных участках экструзионного аппарата, состоящих из сдвиговых зон, в которых скорость сдвига меняется по закону: Г = B+A sin(Qt+φ₁n₁) для одного участка и Г = B+A sin(Qt+φ₂n₂) для другого участка, где Г - значение скорости сдвига в данной зоне, А и В - постоянные, определяемые минимальным и максимальным значением скорости сдвига, Q - частота изменения скорости сдвига, t - время, φ₁ и φ₂ - угол сдвига фаз на первом и втором участках области термомеханического воздействия, n₁ - номер сдвиговой зоны одного участка, n₂ - номер сдвиговой зоны другого участка, причем, величина Ф меняется в интервале от π/10 до π/2 Г преимущественно от 30 до 360 с^-1, величины n₁ и n₂ от 2 до 20, соотношение n₁/n₂ от 0,5 до 5,0, а Q преимущественно от 2 до 3 Гц. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области переработки вулканизованных вторичных резин, получаемых при переработке амортизированных шин и шиноремонте.

В резиновой и шинной промышленности известны способы переработки вторичных шинных резин путем их измельчения и использования полученной крошки в качестве сырья для получения регенератора или в качестве ингредиента резиновых смесей. В ряде работ было показано, что свойства материалов, содержащих порошкообразные резиновые отходы, зависят от дисперсности используемых порошков [1] При этом было отмечено, что наиболее эффективным по критериям максимального содержания резинового порошка в смесях и уровню достигаемых при этом физико-механических свойств, являются порошки с размером частиц менее 0,5 мм.

Известен способ измельчения вторичных шинных резин при низких температурах (криогенное измельчение), при котором вторичные резины охлаждают ниже температуры хрупкости, а затем проводят измельчение в мельницах ударного действия [2] По данному методу можно получать порошки с высокой дисперсностью, однако данный метод энергоемок (удельные энергозатраты до 1,5 - 2,5 мКтч/кг) и требует значительных капитальных вложений, связанных с необходимостью включения в технологическую линию мощных холодильных установок [3] Известен способ получения порошков из вулканизованных эластомеров и резин при положительных температурах методом скоростного резания [4] По данному методу возможно получение тонкодисперсных порошков в том числе и из вторичных шинных резин. Однако данных метод имеет высокие удельные энергозатраты, до 1,8 кВт·ч/кг, и реализован для получения порошков с размером частиц менее 0,5 мм только в лабораторных масштабах. При попытках его реализации в промышленных условиях происходит интенсивныйразогрев режущих поверхностей и частичная регенерация измельчаемых резин, что приводит к резкому уменьшению дисперсности получаемых порошков.

Известен способ измельчения вулканизованных резин в двухшнековых экструдерах сдавливанием при одновременном воздействии напряжения сдвига и давления при многократном нагреве и охлаждении [5] Согласно этому методу сдавливание проводят при 0,22 0,7 Мпа, воздействие напряжения сдвига при 0,3 5,0 Н/мм и давления от 0,2 50,0 МПа. При этом воздействие давления, сдавливание и напряжение сдвига проводят при многократном нагреве от 80 до 250^oС и охлаждении до 15 60^oС. По данному способу возможно получение тонкодисперсных порошков из подошвенных и обувных резин с малым содержанием каучуков и низкими значениями модуля упругости и относительного удлинения при разрыве. При измельчении вторичных шинных резин однако не удается получить тонкодисперсные порошки с существенным выходом фракций менее 0,5 мм. При относительно мягких условиях проведения процесса (усилие сдавливания до 0,5 МПа, напряжение сдвига до 3,0 Н/мм и давлении до 30 МПа) измельчение практически не происходит и тонкодисперсных порошков не образуется. При жестких условиях измельчения наблюдается неконтролируемый рост температуры и образование частично регенеративного продукта с низкими потребительскими свойствами.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения порошка из вторичных шинных резин (на основе натурального или синтетических каучуков) в экструзионном аппарате со шнеково-кулачковым измельчителем при термомеханическом воздействии (давление, напряжение сдвига, температура) [6] Согласно этому способу измельчение проводят путем сдавливания резины в шнековой зоне под давлением 0,2 0,7 МПа с последующим измельчением сдавленного материала в кулачковых зонах под давлением 0,2 50 Мпа и напряжении сдвига 0,03 5 Н/мм² в изотермическом режиме при колебаниях температуры по длине кулачковой зоны равном (1,05 0,95)t, где t - температура в средней части кулачковой зоны измельчителя, равная 60 - 180^oС. Данный способ позволяет получать порошки из вулканизованных резин на основе натурального, изопренового, бутадиенового и других каучуков высокой дисперсностью и высокой однородностью дисперсного состава (выход целевой фракции) до 87% с размером менее 200 мкм. Однако особенностью большинства высокопрочныхрезин, и в первую очередь шинных, заключается в том, что они готовятся из смеси различных каучуков. Недостаточная эффективность данного способа для измельчения резин на основе смеси каучуков связана с наличием каучуков с различным уровнем деформативно-прочностных свойств. Использование только сдавливания и напряжения сдвига не позволяет из смесевых резин достичь массового, объемного разрушения резин. В то время как наименее прочный каучук измельчается, другой, с более высоким уровнем деформативно-прочностных свойств, дает на выходе из экструдера частицы с размером более 1 мм. При использовании более жестких условиях (более высокие температура и напряжение сдвига) необходимых для измельчения наиболее прочного каучука, из-за существования в смеси менее прочного, образуется регенерат.

Целью предлагаемого способа является увеличение дисперсности продукта и снижение энергозатрат на получение порошков определенной дисперсности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения порошков из вторичных шинных резин в экструзионном аппарате при термомеханическом воздействии, последнее осуществляют, по крайней мере, в двух последовательно расположенных участках экструзионного аппарата, состоящих из сдвиговых зон, в которых скорость сдвига меняется периодически с определенной частотой по закону Г = B+A·sin(Qt+φ₁n₁) для одного участка и Г = B+A·sin(Qt+φ₂n₂) для другого участка, где Г значение скорости сдвига в данной зоне, А и В постоянные, определяемые минимальным и максимальным значением скорости сдвига Q частота изменения скорости сдвига t время, φ₁ и φ₂ угол сдвига фаз на первом и втором участках области термомеханического воздействия, n₁ номер сдвиговой зоны одного участка, n₂ номер сдвиговой зоны другого участка, причем величина φ меняется в интервале от p/10 до π/2 величины n₁ и n₂ от 2 до 20, соотношение n₁/n₂ от 0,5 до 5,0.

Способ отличается также тем, что значение скорости сдвига Г меняется в пределах преимущественно от 30 до 360 сек^-1 с частотой Q преимущественно от 2 до 3 Гц.

Предлагаемый способ может быть реализован, например на двушнековой экструзионной установке, где рабочими органами, обеспечивающими термическое воздействие являются червячные элементы с перекрывающимися червяками, а рабочими органами, обеспечивающими сдвиговое деформирование симметричные трех- или четырехгранные плоские элементы, расположенные на шнеках таким образом, что их ось симметрии совпадает с осью вращения шнеков, а боковая поверхность перпендикулярна оси вращения шнеков.

Изменение скорости сдвига в сдвиговых зонах на первом участке по закону Г = B+A·sin(Qt+φ₁n₁) достигается путем расположения плоских элементов таким образом, что точка максимального расстояния от центра элемента до его торцевой поверхности (вершина) одного элемента смещена относительно точки максимального расстояния от центра до торцевой поверхности (вершины) другого на угол φ₁. В этом случае вершины элементов на первом участке образуют винтовую линию, совпадающую по направлению с винтовой линией шнековых элементов области термического воздействия, что обеспечивает прямой поток материала.При этом размер сдвиговой зоны будет равен толщине плоского многогранного элемента.

Изменение скорости сдвига в сдвиговых зонах на втором участке области термомеханического воздействия по закону Г = B+A·sin(Qt-φ₂n₂) также достигается путем расположения элементов со смещением вершин на угол φ₂, однако при этом элементы образуют винтовую линию, направленную против винтовой линии шнековых элементов, обеспечивая обратный поток материала.

Сдвиг фаз в изменении скорости сдвига в зонах увеличивает вероятность попадания крупных частиц в области максимальной скорости сдвига, что резко увеличивает эффективность процессов измельчения и уменьшает количество проскока крупных неразрушенных частиц, что обеспечивает увеличение дисперсности получаемых порошков.

Организация за счет различных углов сдвига фаз синусоидального характера изменения скорости сдвига в области термомеханического воздействия, а также прямого и обратного потока материала, увеличивает общую интенсивность сдвигового воздействия, позволяет достичь условий для массового, объемного разрушения частиц вторичных шинных резин, что приводит к уменьшению удельных энергозатрат.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что в нем термомеханическое воздействие проводят последовательно, по крайней мере в двух участках, состоящих из сдвиговых зон в которых скорость сдвига меняется по закону Г = B+A·sin(Qt+φ₁n₁) для одного участка и Г = B+A·sin(Qt-φ₂n₂) для другого участка.

Источники информации 1. В.М. Макаров, В.Ф. Дроздовский "Использование амортизированных шин и отходов производства резиновых изделий" Л. Химия, 1986, с.135-139.

2. Гребенкина З. И. Макаров В.М. Захаров Н.Д. и др. "Каучук и резина", 1974, N11, c.20-28.

3. Frabie Norman B. Rabb. Wold, 1976, v.175, N 1, p. 66, 68, 87.

4. Соловьев В.М. Переработка отходов резиновой промышленности и использование полученных дисперсных материалов. В сб. "Вторичное использование полимерных материалов" под ред. Е.Г.Любешкина. М. Химия. 1985. с.135.

5. Патент США N 4607796, B 02 C 19/12, публ. 1986.

6. Заявка РСТ 0 88/05374, В 29 В 13/10, публ. 1988.

Формула изобретения

1. Способ получения порошков из вторичных шинных резин в экструзионном аппарате при термомеханическом воздействии, отличающийся тем, что термомеханическое воздействие осуществляют по крайней мере в двух последовательно расположенных участках экструзионного аппарата, состоящих из сдвиговых зон, в которых скорость сдвига меняется периодически с определенной частотой по закону Г В + А·sin (Q·t + Ф₁·n₁) для одного участка и Г В + А·sin (Q·t + Ф₂·n₂) для другого участка, где Г значение скорости сдвига в данной зоне, А и В постоянные, определяемые минимальным и максимальным значениями скорости сдвига, Q частота изменения скорости сдвига, t время, Ф₁ и Ф₂ угол сдвига фаз на первом и втором участках области термомеханического воздействия, n₁ номер сдвиговой зоны одного учаастка, n₂ номер сдвиговой зоны другого участка, причем величина Ф меняется в интервале π/10 - π/2, величины n₁ и n₂ 2 20, соотношение n₁/n₂ 0,5 5,0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение скорости сдвига Г меняется в пределах преимущественно 30 360 сек^-1 с частотой Q преимущественно 2 3 Гц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2