Способ регенерации композиционных материалов
Изобретение может быть использовано для регенерации композиционного материала, содержащего волокнистый материал и неволокнистый материал. Способ содержит стадии охлаждения композиционного материала до температуры от -40 до +10°С, размола охлажденного композиционного материала для отделения волокнистого материала от неволокнистых пластмасс и разделения волокнистого материала и неволокнистых пластмасс. Изобретение позволяет эффективно и экономически, поскольку потребление охлаждающего вещества остается умеренным, регенерировать композиционный материал. 8 з.п. ф-лы.
Настоящее изобретение относится к способу регенерации композиционного материала, содержащего волокнистые материалы и неволокнистые материалы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Композиционные материалы, содержащие волокнистые материалы и неволокнистые материалы, находят очень широкое применение.
Такие композиционные материалы, в которых волокнистые материалы связаны с неволокнистыми пластмассами, в настоящее время применяются для облицовки полов и стен. Эти композиционные материалы также можно использовать в качестве тепло- и звукоизоляторов, например, в строительстве и автомобильной промышленности. Для такого применения войлок связывают с неволокнистым слоем плотной и/или вспененной пластмассы. В других случаях волокнистый материал применяют не в виде полотна, а в виде сетки, связанной с другими слоями.
Например, к волокнистым материалам относятся текстильные полотна на основе сложного полиэфира, полиамида и/или полипропилена в виде гомо- или сополимера и другие нетканые материалы на основе сложного полиэфира, полиамида или полипропилена в виде гомо- или сополимера. Как и неволокнистые пластмассы, они часто основаны на ПВХ (поливинилхлорид), стирольных полимерах (СБС - стирол-бутадиен-стирольный сополимер), полиолефинах и т.п.
В некоторых случаях неволокнистый пластмассовый слой может располагаться между двумя слоями волокнистого материала, например между текстильными полотнами или неткаными материалами.
Наряду с хорошо известной декоративностью при использовании в виде текстиля/ковровых покрытий, волокнистые материалы могут использоваться вследствие:
- своей механической прочности, например повышенной жесткости,
- термостойкости,
- своей способности придавать композиционному материалу улучшенную стабильность размеров.
При разработке этих композиционных материалов возникает задача регенерации как производственных отходов, так и продуктов после окончания их срока службы.
Регенерация этих композиционных материалов связана с затруднениями по следующим причинам:
- Волокнистые материалы обычно обладают намного более высокими температурами плавления, чем неволокнистые материалы. Например, полиамидные и сложные полиэфирные волокна обладают температурой плавления, равной около 250°С, а полиэтилены плавятся уже около 120°С.
- Волокнистые материалы обычно являются намного более жесткими, чем неволокнистые материалы.
Поэтому сочетания волокнистых и неволокнистых материалов, например многослойные материалы, очень трудно регенерировать. В действительности, волокнистые материалы плохо диспергируются в повторно расплавленных неволокнистых материалах. Температуры плавления волокнистых материалов часто более чем на 100°C выше, чем у связанных с ними неволокнистых материалов. Очень часто невозможно перемешать все материалы при температурах, превышающих температуры плавления волокнистых материалов, что обусловлено затруднениями, связанными с термическим разложением неволокнистых материалов. Вследствие этого восстановленные материалы обладают очень плохими механическими свойствами. Кроме того, нерасплавленные волокнистые материалы быстро забивают фильтры регенерирующих устройств. Поэтому для надлежащей утилизации материалов такого типа необходимо разделение волокнистых и неволокнистых материалов.
В ЕР-А-0750944 описано устройство для размола материалов, в котором материалы до размола охлаждаются до температуры, меньшей температуры стеклования материала. Поэтому с помощью такого устройства можно полностью размолоть материал на мелкие частицы. Во время размола весь материал размалывается на частицы более или менее одинакового размера. Поэтому такое устройство не обеспечивает последующее разделение размолотых материалов. Кроме того, материал необходимо охладить до очень низкой температуры, которая обычно составляет порядка - 100°С. Охлаждение материала до такой низкой температуры требует больших затрат.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу настоящего изобретения положена задача разработки одновременно эффективного и экономичного способа регенерации композиционного материала. Эта задача решена с помощью способа регенерации по п.1 формулы изобретения.
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложен способ регенерации композиционного материала, содержащего волокнистые материалы и неволокнистые пластмассы, способ включает стадии охлаждения композиционного материала до температуры от -40 до +10°С; размола охлажденного композиционного материала для отделения волокнистых материалов от неволокнистых пластмасс и разделения волокнистых материалов и неволокнистых пластмасс. Волокнистые материалы и неволокнистые материалы можно регенерировать по отдельности и утилизировать.
В действительности, во время размола при этих температурах волокна мало разрушаются и остаются длинными, тогда как неволокнистые материалы размалываются и образуют частицы более или менее одинакового размера. Согласно изобретению неожиданно было обнаружено, что при этих температурах можно размалывать неволокнистые пластмассы без разрушения волокон. Следовало ожидать, что эти волокна также будут разрушаться, поскольку вещество, из которого они состоят, при использованных температурах является жестким. Однако в данном случае это не так. Неволокнистый материал отделяется от волокнистого материала и тем самым облегчается разделение обоих материалов.
Способ, предлагаемый в настоящем изобретении, обладает еще одной особенно неожиданной особенностью с точки зрения температуры, при которой проводится размол. Действительно, согласно известному уровню техники композиционный материал следует охладить до температуры, которая ниже температуры стеклования композиционного материала. Поскольку известно, что температура стеклования полиолефинов составляет примерно -80°С, композиционный материал, содержащий полиолефины, перед размолом необходимо охлаждать до температуры, более низкой чем -80°С. В настоящее время размол таких композиционных материалов можно выполнить при температурах около -40°С, т.е. при температурах, значительно более высоких, чем температура стеклования полиолефинов. Разумеется, это является преимуществом с экономической точки зрения, поскольку потребление охлаждающего вещества, например жидкого азота или твердого диоксида углерода, остается умеренным.
Способ, предлагаемый в настоящем изобретении, позволяет волокна практически полностью отделить и затем разделить их и неволокнистую пластмассу и поэтому композиционные материалы эффективно регенерируются. Кроме того, вследствие умеренно низких температур при размоле затраты, связанные с охлаждением, остаются низкими, что является преимуществом с экономической точки зрения.
Согласно первому предпочтительному варианту выполнения композиционный материал охлаждают до температуры от -30 до -10°С.
Неволокнистая пластмасса может содержать ПВХ, полимеры стирола, такие как СБС, или полиолефины. Даже, если неволокнистая пластмасса содержит смазывающее вещество и/или пластификатор, и/или наполнитель, при этих температурах пригодность к размолу или эффективность размола неволокнистой пластмассы является превосходной.
Волокнистым материалом может являться войлок, связанный с неволокнистым слоем плотной и/или вспененной пластмассы.
Волокнистым материалом может являться текстильное полотно, например, изготовленное прошивным или иглопробивным способом, или нетканое полотно.
Волокнистым материалом может являться пластмасса, включающая сложные полиэфиры, и/или полиамиды, и/или полиолефины в виде гомо- или сополимеров, стекловолокна, полиариламидные волокна и т.п.
После размола композиционного материала волокнистые материалы можно механически отделить от неволокнистых материалов, например, с помощью сита или центрифуги.
Примеры применения
Пример 1: Разделение композиционного материала, содержащего один или большее количество подслоев неволокнистой пластмассы и нетканый материал
A) Волокнистый компонент
В этом случае волокна образуются нетканым материалом на основе сложных полиэфирных волокон и/или соэкструдированных сложных полиэфирных-полиамидных волокон.
B) Неволокнистый компонент
Подслой основан на компаунде, который, кроме всего прочего, содержит ПВХ, включающий пластификатор, наполнитель, смазывающее вещество, или полиолефины, включающие наполнитель, смазывающее вещество с добавками, включающими пластифицирующие масла (технологические масла).
Разумеется, можно использовать компаунд на основе других пластмасс (например, СБС или СБК (стирол-бутадиеновый каучук)).
C) Примеры композиций
Минеральными наполнителями являются, например, мел, кальцит, оксид бария, доломит, диоксид кремния, каолин.
Пластификаторами (в случае ПВХ) являются пластификаторы, обычно применяющиеся для ПВХ (например, фталаты).
Пластифицирующими маслами являются минеральные масла, получаемые при переработке нефти, содержащие большие или меньшие количества ароматических, нафтеновых или парафиновых углеводородов.
Смазывающими веществами и добавками являются вещества, обычно предлагающиеся в данной области техники, и имеющиеся в продаже вещества.
С1) Примеры подслоев ПВХ
| ПВХ | 2,5% |
| Диизононилфталат | 17% |
| Мел | 29% |
| Оксид бария | 24% |
| Стабилизатор/смазывающее вещество | 1,5% |
| Различные добавки | 1% |
С2) Примеры полиолефинового подслоя
| ПЭНП (полиэтилен низкой | |
| плотности)/ЛПЭНП (линейный | |
| полиэтилен низкой плотности)/ЛПОНП | |
| (линейный полиэтилен очень низкой | |
| плотности)/ЭВС (сополимер | |
| этилен-винилацетат)/ЭПДС (этилен-пропилен-диеновый | |
| сополимер), или ЭПО (эластомерные полиолефины, | |
| полученные с помощью металлоценовых катализаторов | |
| или без них), или ПОП (полиолефиновые пластомеры, | |
| полученные с помощью металлоценовых катализаторов | |
| или без них): | 16% |
| Минеральное масло | 6% |
| Мел | 25% |
| Оксид бария | 52% |
| Различные добавки | 1% |
Очевидно, что составы могут в относительно значительной степени меняться в зависимости от требований, предъявляющихся к готовому подслою. Разумеется, эти положения относятся к альтернативам на основе полипропилена (сополимеров или нет) и ПЭВП (полиэтилен высокой плотности), а также ПЭСП (полиэтилен средней плотности).
С3) Распределение слоев
Нетканый материал: поверхностная плотность меняется от 15 до 70 г/м2 (или даже в более широком диапазоне).
Подслой: поверхностная плотность обычно меняется от 1 до 7 кг/м2.
D) Предварительный размол композиционных материалов
Композиционные материалы подвергаются грубому размолу при комнатной температуре без попытки отделения волокон. Размолотые частицы обладают длиной порядка сантиметров.
Е) Охлаждение гранул
Гранулы транспортируют в цилиндр с помощью архимедова транспортирующего винта. Жидкий азот, направленный противотоком по отношению к винту, охлаждает гранулы. Когда температура гранул становится равной от -40 до -10°С, гранулы поступают в мельницу. Эта температура может меняться в зависимости от эластичности и пластичности пластмассового подслоя.
F) Разделение волокон и порошкообразной пластмассы
Обнаружено, что во время операции размола волокна практически не разрываются, тогда как неволокнистые пластмассы измельчаются в порошок.
Механическое разделение волокон и порошка очень легко осуществляется с помощью седиментации, просеивания или раздувания.
G) Повторное применение регенерированных порошков
В виде порошков можно регенерировать 80%, а часто даже более 90% неволокнистого материала.
Напротив, количества тонкоизмельченных волокон, способных проходить через сита, являются очень небольшими. Их долю в пересчете на исходное количество волокон можно оценить как составляющую значительно менее 10%.
Небольшое количество очень тонкоизмельченных волокон, проходящих через сита, в действительности не приводит к затруднениям, поскольку эти волокна ведут себя, как минеральный наполнитель.
Регенерированные порошки можно повторно ввести в структуру подслоя в количестве, превышающем 50 мас.%, не ухудшая условия применения этого подслоя (например, не забиваются фильтры экструдера), а также, например, условия проведения последующего термоформования.
Пример 2: Разделение композиционного материала на основе пластмассы и войлока
Для композиционных материалов пластмасса-войлок после размола при относительно низкой температуре (от -30 до -10°С включительно) также получены очень хорошие результаты разделения.
Войлок, например, содержит регенерированные текстильные отходы.
В отличие от нетканых материалов, которые могут обладать небольшой толщиной, войлок может обладать толщиной, равной нескольким миллиметрам (а часто даже - нескольким сантиметрам). Такой войлок можно связать с термореактивной пластмассой, например фенолформальдегидной, или с термопластичной пластмассой. В зависимости от степени прессования можно получить эластичный войлок (слабое прессование) или жесткий войлок (сильное прессование). Такой войлок применяется в качестве звукопоглощающего материала или деталей жестких конструкций (например, полок у заднего стекла автомобилей).
Эффективность разделения сравнима с полученной в примере 1.
Пример 3: Разделение композиционного материала на основе пластмассы и прошивного или иглопробивного текстильного материала
Также весьма хорошие результаты по облегчению разделения после размола при относительно низкой температуре (от -30 до -10°С включительно) получены для композиционных материалов на основе пластмасс и прошивного или иглопробивного текстильного материала.
Неволокнистые компоненты обладали такими же составами, как и в примере 1.
Текстильные материалы содержали полиамидные волокна, сложные полиэфирные волокна или смеси обоих волокон и необязательно несколько процентов полиэтиленовых волокон и/или полипропиленовых волокон.
Эти волокна обычно связаны со своей основой с помощью латекса СБК и/или путем покрытия порошкообразным полиэтиленом.
Эффективность разделения согласуется с полученной в примере 1.
Пример 4: Разделение композиционного материала на основе пластмассы и стекловолокна
Подслой (покрытый тонким слоем стекломатериала) изготовлен из полиолефина или ПВХ (в соответствии с примерами С1 и С2).
Обнаружено, что размол при указанных температурах (например, от -30 до -10°С) в зависимости от пластичности пластмассовой композиции приводит к образованию гранул без чрезмерного измельчения в порошок сетки из стекломатериала. Тем самым исключается образование мелких частиц стекла очень небольших размеров.
Поэтому размол композиционных материалов пластмасса - тонкий слой стекломатериала с помощью описанного способа значительно уменьшает вред для здоровья, связанный с присутствием частиц стекла, обладающих очень небольшими размерами.
Замечания относительно расхода жидкого азота:
По оценкам необходимо 0,5 кг жидкого азота на 1 кг подлежащего разделению композиционного материала, что указывает на то, что материал не охлаждается до очень низкой температуры.
Обычный криогенный размол требует намного большего расхода жидкого азота. Наряду с намного более значительными расходами при таком обычном криогенном размоле эти способы менее эффективны для разделения волокнистых и неволокнистых пластмасс.
Замечания относительно регенерации волокон
В зависимости от степени чистоты можно выполнять их отдельную повторную экструзию и изготавливать из них жесткие детали, такие как строительные детали и колесные ниши для автомобилей.
Если волокна представляют собой смеси сложного полиэфира, полиамида и/или полипропилена, то для получения хороших характеристик регенерированных волокон достаточно прибавить несколько процентов реагента, которые обеспечивает "совместимость" различных типов волокон.
1. Способ регенерации композиционного материала, содержащего волокнистые материалы и неволокнистые материалы, включающий стадии
охлаждения композиционного материала до температуры (-40)÷(+10)°С; и
размола охлажденного композиционного материала для отделения волокнистых материалов от неволокнистых пластмасс и
разделения волокнистых материалов и неволокнистых пластмасс.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал охлаждают до температуры (-30)÷(-10)°С.
3. Способ по п.1, в котором неволокнистая пластмасса включает ПВХ, стирольные полимеры, такие как СБС, или полиолефины.
4. Способ по п.1, в котором неволокнистая пластмасса содержит смазывающее вещество, и/или пластификатор, и/или наполнитель.
5. Способ по п.1, в котором волокнистый материал включает войлок.
6. Способ по п.1, в котором волокнистый материал включает текстильное полотно.
7. Способ по п.1, в котором волокнистый материал включает нетканый материал.
8. Способ по любому из пп.5, 6 или 7, в котором волокнистый материал включает сложные полиэфиры и/или полиамиды, и/или полиолефины в виде гомо- или сополимеров, стекловолокна, полиариламидных волокон.
9. Способ по п.1, в котором волокнистые материалы механически отделяют от неволокнистых пластмасс.
