一种超高分子量聚乙烯废弃物的回收工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及废弃高分子材料的回收、再生领域，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯 废弃物的回收工艺。
【背景技术】
[0002] 超高分子量聚乙烯材料，通常是指重均分子量大于100万以上的聚乙烯，由于分 子量大，材料的强度、刚性和模量都很高，并且具有超强的耐磨性、自润滑性，化学性质稳 定、抗老化性能强。由于这些特点，可以制备成耐磨高强度的管道，采矿工业里的各种容器 储罐（如拖斗、料仓、滑槽），各种高强高模化纤，制成各种民用或军用的绳索、防弹衣、盾牌 等，以及各种体育用品和体育器材等。超高分子量聚乙烯的广泛使用，不可避免地会产生大 量的废弃物，而这些废弃物有些是能很好的分类而单独存在，有些则没有很好地分类而与 普通聚乙烯混杂在一起，这些混杂在一起的超高分子量聚乙烯很难被分离出来，因此在回 收利用时只能与普通聚乙烯一起回收利用。但在这个回收过程中，就会出现加工的问题：因 为超高分子量聚乙烯的分子量巨大，在高温下没有剪切流动性，因此在各种螺杆挤出机或 注塑机中，超高分子量聚乙烯都表现出不熔化，很难用常规的机械加工方法成型，超高分子 量聚乙烯的加工方法通常是压制-烧结成型，制备成管材、板材、管材或棒材，然后再切割、 焊接制备成各种形状的制品，或者通过凝胶或增塑纺丝方式纺丝。因此对于超高分子量聚 乙烯的废弃物或含有超高分子量聚乙烯的普通聚乙烯废弃物，通过螺杆挤出造粒是无法实 现的，特别是那些含有超高分子量聚乙烯的普通聚乙烯废弃物，含量超高5%的超高分子量 聚乙烯，则基本不能加工成型，这些不熔化的超高分子量聚乙烯就会把挤出机的模头和滤 网堵死，因此对于含有超高分子量聚乙烯的普通聚乙烯废弃物的回收利用仍然没有好的办 法，唯一的办法是稀释这些材料，降低超高分子量聚乙烯的含量，虽然这样可以进行造粒， 但含在其中的超高分子量由于不熔化，其在材料中是一种填充物，而且其在基体中是团状 存在，会形成应力集中和薄弱环节，大幅降低材料的力学性能。因此必须找到行之有效的处 理方法，是这些超高分子量不会影响材料的性能，大幅提高材料的回收价值。
[0003] 超高分子量聚乙稀的难加工，正是由于其分子量巨大，分子链长，分子链之间的相 互缠绕复杂，形成了类似交联聚合的立体网状结构，因此难以流动。很自然，要实现超高分 子量聚乙烯废弃物的回收，破坏这种复杂缠绕结构，把长链分子链变短，成为普通分子量聚 乙烯，这样就具有可加工性而解决回收过程中难加工的问题。
[0004] 长链化学键的破坏有两种方法，即化学方法和物理方法。化学方法是利用化学助 剂，在高温下，通过这些助剂对分子键进行进攻破坏，使得化学键断开，同时这些物质还能 把断开的活性链端进行惰性端封，避免破坏的化学键再次交联，这样超高分子量聚乙烯的 长链分子链变短，从而具有可剪切流动性和加工性，可以象热塑性聚乙烯一样回收利用。化 学方法需要加入化学助剂，成本提高，并且在降解过程中，会产生大量的腐蚀性或有毒气 体，容易引起二次污染，因此化学方法并不是一种环保有效的方法。
[0005] 物理方法是不加入化学物质，只是利用外加能量，使超高分子量聚乙烯的长链分 子链断裂破坏，形成短链的低相对分子量的聚乙烯，具有高温剪切流动性和可加工性而得 以再生利用。目前常用的是微波或超声波的方法，虽然物理方法由于没有化学物质的加入， 不会引起二次污染，相对环保，但这些方法的设备投资大，很难实现连续化生产，因此效率 很低，在大规模工业化生产领域很难实现，大多停留在实验室阶段。
[0006] 针对现有的回收超高分子量聚乙烯或含超高分子量聚乙烯的普通聚乙烯废弃物 方法所面临的问题，需要研究高效无二次污染的新的回收处理方法。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种降解回收超高分子量聚乙烯废弃物或含有超高分子量聚乙烯的 常规聚乙烯废弃物的新方法，可以环保高效地降解超高分子量聚乙烯，使得降解后的聚乙 烯废弃物材料具有高温剪切流动性和可加工性，可通过螺杆挤出造粒，直接应用于下游的 制品生产，解决传统处理方法的污染和低效率问题。
[0008] -种超高分子量聚乙烯废弃物的回收工艺，步骤如下：
[0009] 超高分子量聚乙烯废弃物经粉碎后，加入挤出机，在高温和交变剪切作用下，使得 超高分子量聚乙烯的分子链发生断链，实现回收利用；
[0010] 所述挤出机的挤出温度为240~300°C，模头压力为3~20MPa ;
[0011] 所述挤出机螺杆的长径比为56~80,螺杆转速为400~1200rpm，使得物料承受 的剪切线速度>4m/s ;
[0012] 所述的物料承受的剪切线速度也是指螺杆端部的线速度；
[0013] 所述挤出机的螺杆组合保持剪切力的交变周期为2~10个；
[0014] 所述物料的处理时间>30s，物料的处理时间是指物料承受高温强剪切的作用时 间；
[0015] 所述的挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。
[0016] 作为优选，所述的挤出机为双螺杆挤出机；进一步优选为同向双螺杆挤出机。
[0017] 所述的超高分子量聚乙烯废弃物需要先粉碎至2~4cm的块状或片状物，再加入 挤出机中。
[0018] 作为优选，所述挤出机的挤出温度为260~300°C，模头压力为15~20MPa。进一 步优选，所述挤出机螺杆的长径比为72~80,螺杆转速为500~1200rpm。再优选，所述挤 出机的螺杆组合保持剪切力的交变周期为6~10个。
[0019] 更优选，所述挤出机的挤出温度为260~280°C，模头压力为15~20MPa，螺杆的 长径比为72~80,螺杆转速为500~600rpm，螺杆组合保持剪切力的交变周期为6~8个。 采用上述优选的挤出工艺，可以快速、高效地实现超高分子量聚乙烯的降解，且再生后的性 能优异。
[0020] 本发明的基本原理是：在高温和交变强剪切作用下，通过物理作用使得超高分子 量聚乙烯的分子长链发生降解断链，变为短链聚乙烯分子，破坏其复杂的长链相互缠绕 结构，从而实现超高分子量聚乙烯废弃物的高效回收利用。其基本工艺为：（1)处理温度： 240°C~300°C ;(2)为实现强剪切，物料承受的剪切线速度>4m/S ;(3)物料的处理时间 >30s; (4)物料承受的强剪切力的交变周期为2~10个。在工业过程中，可通过特殊结构 设计的同向双螺杆挤出机、异向双螺杆挤出机或单螺杆挤出机连续生产，对于挤出机的特 殊结构要求为：挤出机长度直径比为：56~80,螺杆组合保持剪切力的交变周期为2~10 个。而对于挤出机的基本加工工艺为：1)加热温度：240°C~300°C ; (2)螺杆转速：400~ 1200rpm ; (3)模头压力3~20MPa。通过该方法可实现超高分子量聚乙烯废弃物的循环利 用，既保护了环境，还能创造巨大的经济效益。
[0021] 本发明中上述的挤出机的加热温度，均为挤出机设置的最高温度。
[0022] 下面将对本发明作详细说明。
[0023] 本专利申请是以环保高效地回收利用超高分子量聚乙烯废弃物或含超高分子量 聚乙烯的废弃物为目的，专利发明人为此进行了广泛而深入的研究。针对长链聚合物的断 链解聚机理及现有回收超高分子量聚乙烯废弃物的方法、如何环保高效率工业化实现进行 了探索研究。
[0024] 超高分子量聚乙烯由于分子量大，分子链长，分子链之间形成了复杂的相互缠绕 的网络结构，导致分子链间的滑移困难，因此超高分子量聚乙烯在宏观上表现为没有高温 剪切流动性，而难以通过螺杆挤出机成型造粒。其废弃物也不能同螺杆挤出机熔融重新加 工成制品，相应地也失去了回收价值。要实现超高分子量聚乙烯的回收价值，破坏其复杂的 分子链相互缠绕的网状结构是关键，形成短链的低缠绕结构才能实现其高温剪切的可加工 性。
[0025] 破坏超高分子量聚乙烯的分子链相互缠绕的网状结构，实际上是把分子链降解变 短，相应地其缠绕结构也得到破坏。实际上需要破坏其中的一些碳碳键，使得长链变短链。 根据化学键的热力学理论，破坏碳碳键需要提供足够的能量，即外界所提供的能量大于碳 碳键的分子键能。通常通过两种方法来提供破坏碳碳键所需的能量，一种是化学方法，通 过化学物质对碳碳键的进攻，降低碳碳键的键能，从而使得化学键吸收能量断裂而解聚， 在目前，化学方法对超高分子量聚乙烯还不是很有效，即不容易找到很合适的化学物质可 以高效地对碳碳键产生破坏作用，而且已报道的化学方法，则效率不高，并且过程中会产生 腐蚀性或有毒气体，产生二次污染，因此目前而言，化学方法降解超高分子量聚乙烯还不成 熟，也不环保。另一种是物理方法，其主要是向长链聚合物提供热量，通过微波或超声波的 方法给物质提供热量，当热量大于碳碳键的键能时，化学键被破坏而发生分子链的断裂降 解。物理方法虽然没有化学物质的加入，不会引起二次污染，相对环保，但这些方法的设备 投资大，很难实现连续化生产，因此效率很低，在大规模工业化生产领域很难实现，大多停 留在实验室阶段。
[0026] 因此现有的降解超高分子量聚乙烯的方法还不成熟，为了实现高效环保的回收， 为此本专利发明人经过深入研究，提出了新的降解原理：在高温和交变强剪切作用下，通过 物理作用使得超高分子量聚乙烯的分子链发生降解，从而实现超高分子量聚乙烯材料废弃 物或含超高分子量聚乙烯的聚合物废弃物的高效回收利用。
[0027] 首先，物理方法是最环保的方法，但物理方法的关键是如何高效地给超高分子量 聚乙烯提供足够的能量以破坏碳碳键。对物质提供热量，基本的方式包括热传导（加热器 供热）、热辐射（超声波或微波），热辐射需要特殊的设备，价格昂贵，规模受限，因此并不经 济高效，而热传导方式受热源温度、物料的导热系数、粘度和流动状态等多方面的影响，效 率较低，而且难以使得物料均匀且控制精确的温度较困难，所提供的热量要么不足以破坏 碳碳交联键，要么局部过高发生分解，变成低分子量物质甚至炭化发黑而失去作为材料的 性能。因此在超高分子量聚乙烯的回收领域存在一种高温回收方法，即把这些不熔物作深 度裂解炼油，把超高分子量聚乙烯通过高温加热的方法转变为低碳的液体有机物，但该方 法效率很低，转化率不高，而且副产大量的难处理的三废，目前这种方法已被摒弃，因此仅 仅通过热传导方式还不能实现高效环保的回收利用。
[0028] 除了给超长链聚合物供热使得碳碳键破坏外，还可以通过剪切的方式，使得碳碳 键受到的剪切力超过碳碳键的化学键作用力。剪切力是一种宏观作用力，而化学键作用力 是连接原子之间的作用力，是一种微观作用力，通过有效的剪切作用是可以破坏碳碳键， 但有几个因素需要考虑：首先，如何给物料足够的剪切力，以及有效地把这种宏观作用力作 用在微观原子上，这是关键。其次，仅仅靠剪切力去破坏碳碳化学键可能还