一种废橡胶连续复原机及复原工艺的制作方法

本发明涉及废橡胶再生技术领域，特别涉及一种废橡胶免化学试剂连续复原机及使用该设备制备再生胶的工艺方法。

背景技术：

具有独特性能的橡胶制品在社会中广泛应用，由于其分子量巨大难以自然降解，大量的橡胶制品堆积造成“黑色污染”和资源浪费。我国是橡胶消费大国，但是受到气候和地域的限制，国内橡胶资源严重不足，因此实现废旧橡胶的再生循环利用对解决“黑色污染”、填补橡胶资源匮乏具有重大意义。传统的“高温高压动态脱硫”再生工艺具有能耗高、安全隐患严重，再生效果差、加工过程不连续等缺点，因而被逐渐取代。近年来兴起的“以机代罐”技术，使用螺杆挤出机使废旧橡胶复原的生产工艺具有生产工艺简单、绿色、环保、连续性强再生效果好等优点。

中国专利文献中，公布号为CN104129057A、名称为一种废橡胶连续化再生的解联塑化机及工艺方法的文献中公开了一种方案(具体内容参见说明书全文)，包括压料机构、解联机构、成型机构三部分，废旧橡胶从压料机构加入后，经过解联机构的解联作用后，在成型机构中压片成型。整个设备的核心在于由螺杆元件和驱动元件组成的解联机构，螺杆元件包括转子组、动静组、斜齿轮组。该文献中的方案加强了机械解联效果，提高了再生效果，但是整机设备安装复杂，在机筒上设计有静盘组，加大了设备的加工难度和制备成本，并且生产过程中添加了化学试剂，容易造成再生产品的污染。

此外，中国专利文献中，公布号为CN102977404B、名称为一种双阶双螺杆挤出机连续制备再生胶的方法的文献中公开了一种方案(具体内容参见说明书全文)，将经过预处理的废胶粉先加入异向双螺杆挤出机，挤出后进入同向双螺杆挤出机再次进行剪切挤压，制备的再生胶性能较好，但整个操作过程复杂，生产线长，重复进行升温、降温操作造成能源浪费。

超临界流体技术是近30年发展起来的化工新技术，具有优异的溶解能力、传质能力、低粘度、高扩散性等优点，在一定条件下可以将废旧橡胶迅速溶胀，为废旧橡胶复原提供了可能。

在中国专利文献中，公布号为CN204454972U、名称为一种废旧胶粉的脱硫再生设备的文献中公开了一种方案(具体内容参见说明书全文)，废旧胶料在微波的作用下发生脱硫反应，接着进入第一挤出机，与第一挤出机相连的是超临界流体输送装置，在超临界流体促进再生试剂均匀的分散到废旧胶粉中，将胶料进一步再生；第二挤出机用于将再生的胶料定型。整个生产过程中胶料受到长达十分钟的脱硫作用，极易导致主链断裂；而且生产线包括一台电磁加热装置、两台挤出机、一台超临界流体输送装置，设备种类繁多，生产线冗长、一次性投资巨大。

在中国专利文献中，公布号为CN202357411U、名称为一种超临界流体辅助加工成套设备的文献中公开了一种加工热塑性树脂的辅助设备，该套设备主要用于超临界流体取代增塑剂，降低热塑性树脂的加工难度。其应用范围窄，不能为废橡胶复原提供足够的剪切力。

综上所述，现有的生产设备和生产工艺不能满足废橡胶再生的要求，因此，迫切需要一种新的生产设备和工艺来替代现有的设备和工艺。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种废橡胶连续复原机及复原工艺，以达到复原过程中无任何化学试剂添加，生产能耗低，废旧橡胶复原质量好，设备结构简单，操作工序少，产业投资低的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种废橡胶连续复原机，包括复原机主机、超临界流体制备与注入装置，以及温控系统，所述复原机主机包括机架、位于机架上的机筒、电机和传动系统，所述机筒内设置有与传动系统相连的复原机双螺杆，所述机筒上设置喂料机构，所述复原机双螺杆包括压料区、软化区、超临界流体注入区、复原区和挤出区五个功能区；所述压料区包括单头变导程螺纹元件一；所述软化区包括啮合块一、啮合块二以及位于啮合块一和啮合块二之间的单头螺纹输送元件；所述超临界流体注入区包括降压元件，所述降压元件为单头螺纹元件；所述复原区包括按胶料运动方向依次连接的单头变导程螺纹元件二、啮合块三、双头反向螺纹元件一、双头螺纹输送元件一、啮合块四、双头反向螺纹元件二、双头螺纹输送元件二、大导程螺纹元件和双头螺纹输送元件三；所述挤出区包括均化元件和双头变导程螺纹元件，所述均化元件为螺棱上开有槽口的双头螺纹元件。

上述方案中，所述单头变导程螺纹元件一和单头变导程螺纹元件二的导程沿着胶料的运动方向逐渐变小；所述单头变导程螺纹元件一的最大导程尺寸与螺棱外径相同，最小导程的尺寸为最大导程尺寸的三分之二；所述单头变导程螺纹元件二的最大导程不超过螺棱外径，最小导程不低于螺棱外径的三分之二。

上述方案中，所述啮合块一和啮合块二是由7个8mm厚的二头啮合块按照30°的错列角拼接组成，所述啮合块三和啮合块四是由六个8mm厚的二头啮合块按照30°的错列角拼接组成。

上述方案中，所述超临界流体注入区的单头螺纹元件的导程与螺棱外径的尺寸相同。

上述方案中，所述挤出区的双头变导程螺纹元件的最大导程为螺棱外径的四分之三，最小导程比最大导程少10mm。

进一步的方案中，所述槽口的开口方向与所在螺棱垂直，且槽口在胶料流动方向上的体积逐渐减小。

进一步的技术方案中，所述复原机双螺杆为同向旋转的双螺杆，双螺杆同向旋转剪切速率更大。

一种废橡胶连续复原机的复原工艺，包括如下工艺过程：

(1)进入复原机主机的废旧胶料在复原机双螺杆的摩擦拖曳作用下向前输送，由于压料区的导程逐渐变小，胶料变密实，为胶料的运动提供足够的背压向前输送；

(2)进入软化区的胶料首先经过啮合块一的剪切拉伸作用，实现初步软化后经过单头螺纹输送元件的输送进入啮合块二中，实现进一步软化；

(3)软化后的胶料在超临界流体注入区内部的降压元件提供的大空间内与超临界流体接触，充分溶胀；

(4)进入复原区内，溶胀的胶料在啮合块三中受到剪切撕裂和拉伸作用，经过双头反向螺纹输送元件一的作用下，胶料的停留时间得以延长，达到初步复原的效果；初步复原的胶料经过双头螺纹输送元件一，再次进入啮合块四和双头反向螺纹元件二中进行补充剪切撕裂和拉伸，双头螺纹输送元件二将补充复原的胶料输送到大导程螺纹元件中，进行最终的复原反应，完全复原的胶料经双头螺纹输送元件三进入挤出区；

(5)在挤出区的均化元件中，经槽口形成的不规则流动充分混合后，经过双头螺纹元件从复原机主机中挤出，完成整个复原反应。

上述方案中，超临界流体与废橡胶的质量比为0.005～0.02，复原机双螺杆的转速为40～80r/min，复原机双螺杆压料区的温度控制在50～80℃，软化区的温度控制在90～110℃，超临界流体注入区和复原区的温度控制在120～150℃，挤出区的温度在60℃～80℃。

通过上述技术方案，本发明提供的废橡胶连续复原机及复原工艺利用复原机提供的可控拉伸剪切协同作用，在超临界环境下选择性打断废旧橡胶中的C-S、S-S交联键，实现废旧橡胶的复原。本方案的优势在于复原过程中无任何化学试剂添加，生产能耗低，废旧橡胶复原质量好，设备结构简单，操作工序少，产业投资低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种废橡胶连续复原机的结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的复原机主机的结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的复原机双螺杆的结构示意图；

图4为本发明实施例所公开的软化区的结构示意图；

图5为本发明实施例所公开的复原区的结构示意图；

图6为本发明实施例所公开的均化元件在圆周方向上的展开示意图。

图中，Ⅰ、压料区；Ⅱ、软化区；Ⅲ、超临界流体注入区；Ⅳ、复原区；Ⅴ、挤出区；1、复原机主机；2、超临界流体制备与注入装置；3、温控系统；4、机架；5、机筒；6、电机；7、传动系统；8、复原机双螺杆；9、喂料机构；10、单头变导程螺纹元件一；11、啮合块一；12、啮合块二；13、单头螺纹输送元件；14、降压元件；15、单头变导程螺纹元件二；16、啮合块三；17、双头反向螺纹元件一；18、双头螺纹输送元件一；19、啮合块四；20、双头反向螺纹元件二；21、双头螺纹输送元件二；22、大导程螺纹元件；23、双头螺纹输送元件三；24、均化元件；25、双头变导程螺纹元件；26、槽口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种废橡胶连续复原机及复原工艺，具体实施例如下：

如图1所示，一种废橡胶连续复原机，包括复原机主机1、超临界流体制备与注入装置2，以及温控系统3。如图2所示，复原机主机1包括机架4、位于机架4上的机筒5、电机6和传动系统7，机筒5内设置有与传动系统7相连的同向旋转的复原机双螺杆8，机筒5上设置喂料机构9；机筒5与复原机双螺杆8共同组成挤压系统，完成对胶料的固体输送、软化、复原和挤出。

如图3所示，复原机双螺杆8包括实现连续喂料的压料区、将胶料软化并建压的软化区、为超临界流体与废旧橡胶充分接触提供足够空间的超临界流体注入区、在超临界环境下在复原机双螺杆的剪切拉伸协同作用下充分复原的复原区、复原胶均匀稳定挤出的挤出区五个功能区。

压料区Ⅰ包括一对单头变导程螺纹元件一10，单头变导程螺纹元件一10的结构特点是在螺槽深度不变的条件下，螺纹段导程逐渐变小，从而减小螺槽体积。单头变导程螺纹元件一10的最大导程尺寸与螺棱外径相同，最小导程的尺寸为最大导程尺寸的三分之二。进入复原机主机1的废旧胶料在复原机双螺杆8的摩擦拖曳作用下向前输送，并由于螺槽体积的变小不断的密实，这为胶料的运动提供足够的背压；相互配合的两个螺杆部分啮合，理论上无法做到纵向开放、横向封闭，但通过调整螺棱结构，减少胶料在横向上的运动能力，保证了复原机双螺杆对胶料有良好的输送能力。

如图4所示，软化区Ⅱ包括啮合块一11、啮合块二12以及位于啮合块一11和啮合块二12之间的单头螺纹输送元件13，啮合块一11和啮合块二12是由7个8mm厚的二头啮合块按照30°的错列角拼接组成。硫化后的橡胶硬度大，难以变形，软化所需要的热量由机筒的热传递和胶料受到剪切作用产生的塑性耗散提供的，啮合块的厚度和个数的增加，有利于提高对胶料的剪切作用，提高软化效率。啮合块本身是一种耗压元件，将啮合块与单头螺纹输送元件配合使用，在发挥了啮合块的剪切作用优势的前提下，在胶料流动过程中建立压力，保证了复原机双螺杆对胶料的良好输送能力。胶料在流经啮合块之间的间隙时，受到啮合块螺棱之间的剪切作用，由于粘性耗散产生的热量加速了胶料的软化，单头螺纹输送元件的导程与单头变导程螺纹元件一的最小导程一致，保证了双螺杆的输送能力，避免了局部剪切过大，导致分子链降解严重。

超临界流体注入区Ⅲ包括降压元件14，降压元件14为单头螺纹元件，单头螺纹元件的导程与螺棱外径的尺寸相同。相比于其他螺纹元件，通过加大导程，使它具有更大的螺槽体积，保证前面压实的胶料中蜷缩的分子链有足够的空间实现伸张，实现胶料松散，松散的胶料与超临界流体接触面积变大，有利于提高超临界流体在胶料中的扩散能力，保证废橡胶的溶胀效果。

如图5所示，复原区Ⅳ包括按胶料运动方向依次连接的单头变导程螺纹元件二15、啮合块三16、双头反向螺纹元件一17、双头螺纹输送元件一18、啮合块四19、双头反向螺纹元件二20、双头螺纹输送元件二21、大导程螺纹元件22和双头螺纹输送元件三23。单头变导程螺纹元件二15的导程沿着胶料的运动方向逐渐变小，单头变导程螺纹元件二15的最大导程不超过螺棱外径，最小导程不低于螺棱外径的三分之二。啮合块三16和啮合块19四是由六个8mm厚的二头啮合块组成，减少啮合块的头数是为了局部降低溶胀后的胶料受到的分散混合作用，避免胶料在局部受到过大的剪切力导致分子量的锐减。该区域的二头啮合块的错列角为30°，具有良好的轴向输送能力和剪切作用，啮合块与啮合块之间间隙为2mm，啮合块与机筒内壁之间间隙为0.5mm，在啮合块之间的啮合区域一个啮合块的盘顶与另一个啮合块的盘根构成体积可以发生变化的封闭区域，在这些区域里胶料受到不断变换的剪切撕裂和拉伸作用，实现废旧胶料的初步复原。与啮合块直接相连的是反向螺纹元件，起到延长胶料在复原机内部停留时间的作用。啮合块四19与双头反向螺纹元件二20起到补充复原的作用；大导程螺纹元件22的结构设计受密炼机啮合型转子的启发，一个大导程螺纹元件的螺棱与另一个大导程螺纹元件的螺槽构成变体积区域，在该区域内胶料受到反复的挤压与撕裂作用，使废旧胶料完成最终的复原反应。

挤出区Ⅴ的功能在于将复原的胶料均匀连续的挤出，包括均化元件24和双头变导程螺纹元件25，均化元件24为螺棱上开有槽口26的双头螺纹元件。参见图6，槽口26的开口方向与所在螺棱垂直，且槽口26在胶料流动方向上的体积逐渐减小。槽口26的设计强化了胶料的回流效果，有利于将复原胶料混合均匀，并且体积逐渐减小的槽口26使复原胶料在流过的时候发生体积变换，起到补充复原的作用；而且胶料在流经体积变化的槽口26时受到的拉伸作用有打断少数尚未完全复原的交联网络的作用。双头变导程螺纹元件25的最大导程为螺棱外径的四分之三，最小导程比最大导程少10mm，导程变化有利于轴向压力的建立，胶料稳定挤出。

一种废橡胶连续复原机的复原工艺，包括如下工艺过程：

将废橡胶粉加入喂料机构，开启连续复原机主机1，胶料在自身重力及喂料机构的作用下进入机筒4，在复原机双螺杆8的摩擦拖曳作用下向前输送，当有胶料被连续均匀挤出时开启超临界流体制备及注入装置2。超临界流体与废橡胶的质量比为0.005～0.02，复原机双螺杆8的转速为40～80r/min，压料区Ⅰ的温度控制在50～80℃，软化区Ⅱ的温度控制在90～110℃左右，超临界流体注入区Ⅲ和复原区Ⅳ的温度控制在120～150℃左右，挤出区Ⅴ的温度在60℃～80℃。

进入复原机主机1的废旧胶料按照如下过程完成整个复原工艺：

(1)进入复原机主机1的废旧胶料在复原机双螺杆8的摩擦拖曳作用下向前输送，由于压料区Ⅰ的导程逐渐变小，胶料变密实，为胶料的运动提供足够的背压向前输送；

(2)进入软化区Ⅱ的胶料首先经过啮合块一11的剪切拉伸作用，实现初步软化后经过单头螺纹输送元件13的输送进入啮合块二12中，实现进一步软化；

(3)软化后的胶料在超临界流体注入区Ⅲ内部的降压元件14提供的大空间内与超临界流体接触，充分溶胀；

(4)进入复原区Ⅳ内，溶胀的胶料在啮合块三16中受到剪切撕裂和拉伸作用，经过双头反向螺纹元件一17的作用下，胶料的停留时间得以延长，达到初步复原的效果；初步复原的胶料经过双头螺纹输送元件一18，再次进入啮合块四19和双头反向螺纹元件二20中进行补充剪切撕裂和拉伸，双头螺纹输送元件二21将补充复原的胶料输送到大导程螺纹元件22中，进行最终的复原反应，完全复原的胶料经双头螺纹输送元件三23进入挤出区；

(5)在挤出区的均化元件24中，经槽口26形成的不规则流动充分混合后，经过双头变导程螺纹元件25从复原机主机1中挤出，完成整个复原反应。

胶料复原后被挤出精炼成型，最终停放入库。

具体实施例一：

反应条件：超临界流体与废橡胶的质量比为1:100，复原机双螺杆8的转速为60r/min，压料区Ⅰ的温度控制在70℃，软化区Ⅱ的温度控制在100℃，超临界流体注入区Ⅲ和复原区Ⅳ的温度控制在135℃，挤出区Ⅴ的温度为70℃。

经实验测定，复原胶的性能：灰分＝7.0％，丙酮抽出物＝17.0％，门尼粘度ML100℃(1+4min)＝45；按照GB/T13460-2008再硫化配方硫化，得硫化胶力学性能如下:拉伸强度＝15.3MPa，拉断伸长率＝474.47％。

具体实施例二：

反应条件：超临界流体与废橡胶的质量比为2:100，复原机双螺杆8的转速为80r/min，压料区Ⅰ的温度控制在55℃，软化区Ⅱ的温度控制在90℃，超临界流体注入区Ⅲ和复原区Ⅳ的温度控制在125℃，挤出区Ⅴ的温度为60℃。

经实验测定，复原胶的性能：灰分＝6.5％，丙酮抽出物＝16.2％，门尼粘度ML100℃(1+4min)＝40；按照GB/T13460-2008再硫化配方硫化，得硫化胶力学性能如下:拉伸强度＝14.9MPa，拉断伸长率＝500.07％。

具体实施例三：

反应条件：超临界流体与废橡胶的质量比为1:100，复原机双螺杆8的转速为50r/min，压料区Ⅰ的温度控制在75℃，软化区Ⅱ的温度控制在110℃，超临界流体注入区Ⅲ和复原区Ⅳ的温度控制在145℃，挤出区Ⅴ的温度为75℃。

经实验测定，复原胶的性能：灰分＝7.2％，丙酮抽出物＝17.4％，门尼粘度ML100℃(1+4min)＝48；按照GB/T13460-2008再硫化配方硫化，得硫化胶力学性能如下:拉伸强度＝15.7MPa，拉断伸长率＝468.98％。

说明：国家特级Al标准:灰分≤10％，丙酮抽出物≤18％，门尼粘度ML100℃(1+4min)≤95，拉伸强度≥14.0Mpa，扯断伸长率≥420％。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。