導(dǎo)語：機(jī)械力化學(xué)熱固性塑料再資源化分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對(duì)熱固性塑料再資源化困難的問題，提出了熱固性塑料機(jī)械力化學(xué)法回收的工藝流程，對(duì)熱固性酚醛樹脂進(jìn)行超細(xì)粉碎回收，分析了機(jī)械力對(duì)酚醛樹脂物化性質(zhì)的影響，將再生粉末和聚氯乙烯按照比例混合后模壓成再生板材，并對(duì)再生板材的表面形貌和力學(xué)性能進(jìn)行表征測試。結(jié)果表明，粉碎腔內(nèi)流場處于紊流狀態(tài)，顆粒間相互混摻，運(yùn)動(dòng)無序且應(yīng)力場分布不均，材料受到反復(fù)的擠壓、摩擦、沖擊等形式的機(jī)械力作用，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使部分交聯(lián)鍵發(fā)生斷裂，材料恢復(fù)了部分塑性成型的能力，回收的再生粉末顆粒和聚氯乙烯之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，制備的再生板材具有較好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度為3.78～19.02MPa，彎曲強(qiáng)度為11.72～36.85MPa，可以實(shí)現(xiàn)較為理想的回收再利用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械力化學(xué)；熱固性塑料；內(nèi)應(yīng)力；力學(xué)性能

熱固性塑料具有較強(qiáng)的耐熱性和耐腐蝕性，其力學(xué)性能一般遠(yuǎn)超過熱塑性塑料，特別是一些熱固性塑料復(fù)合材料，甚至可以在許多場合代替金屬材料。但是對(duì)于熱固性塑料而言，由于其高度交聯(lián)的體型網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，在固化定型后無法像熱塑性塑料一樣實(shí)現(xiàn)熔融或溶解于溶劑中，難以實(shí)現(xiàn)有效的回收利用[1]。對(duì)于熱固性塑料廢棄物主要是采用直接填埋或焚燒的方法進(jìn)行處理，也由此帶來了一系列的環(huán)境污染問題，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的資源[2]。面對(duì)全球資源日益枯竭以及環(huán)境污染現(xiàn)象的加劇，綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界發(fā)展的主題，熱固性塑料廢棄物的回收再利用也受到了高度重視。當(dāng)前，熱固性塑料廢棄物的回收利用方法主要有物理法和化學(xué)法兩大類[3]。其中采用物理法回收熱固性塑料的工藝流程較為簡單，已經(jīng)得到了部分產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但是由于回收物主要是用作低價(jià)值的填充料，無法高效發(fā)揮出熱固性塑料本身的優(yōu)良性能，因此物理法的應(yīng)用前景不佳[4–6]；而化學(xué)法主要研究將熱固性塑料分解成化工原料單體或小分子物質(zhì)，進(jìn)而應(yīng)用于高分子材料或復(fù)合材料的生產(chǎn)制備中，從資源的高價(jià)值回收利用角度看，化學(xué)法是較為理想的回收方法，但是目前化學(xué)法的回收工藝路線非常復(fù)雜，過程控制要求極高，成本也很高昂，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，難以得到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用[7–10]。因此，如果能夠研究出熱固性塑料高效且成本較低的回收再利用方法，一方面可節(jié)約大量的資源和能源，大大減輕環(huán)境污染的壓力，另一方面可為機(jī)電產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)提供性價(jià)比更高的材料，進(jìn)而促進(jìn)熱固性塑料得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。機(jī)械力化學(xué)主要研究機(jī)械能產(chǎn)生的應(yīng)力作用引起材料的組織、結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的規(guī)律，用于提高材料的性能或制備新的材料[11]。如張松華等[12]研究竹漿纖維在球磨作用下發(fā)生的機(jī)械力化學(xué)變化，進(jìn)而制備得到高熒光高量子產(chǎn)率的熒光納米纖維素；張凡超等[13]利用高能球磨機(jī)對(duì)鈣基膨潤土進(jìn)行改性研究，結(jié)果表明改性后的鈣基膨潤土助懸性能顯著提高；林風(fēng)采等[14]采用機(jī)械力化學(xué)法制備的雙醛基微纖化纖微素／明膠復(fù)合膜具有良好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。筆者以廢舊熱固性酚醛塑料為研究對(duì)象，首先進(jìn)行超細(xì)粉碎，分析酚醛樹脂物化性質(zhì)的變化規(guī)律，然后將酚醛樹脂再生粉末和聚氯乙烯混合熔融后模壓成型制成再生板材，研究不同質(zhì)量配比的酚醛樹脂再生粉末對(duì)再生板材力學(xué)性能的影響關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了廢舊熱固性酚醛樹脂塑料的回收再利用。

1熱固性塑料機(jī)械力化學(xué)回收工藝流程

熱固性塑料機(jī)械力化學(xué)法回收分為粗破碎、超細(xì)粉碎、混合均質(zhì)和塑性成型等四步，工藝流程如圖1所示。首先將廢舊熱固性塑料制品進(jìn)行分離、清洗晾干后破碎成顆粒；再對(duì)顆粒進(jìn)行超級(jí)粉碎，得到再生粉末，在此過程中，強(qiáng)烈而持久的機(jī)械力作用在熱固性塑料上，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力破壞分子鏈中部分化學(xué)鍵，生成自由基，提高材料的反應(yīng)活性，使材料恢復(fù)一定的塑性，重新具備加工成型的能力；然后向再生粉末中添加少量黏流態(tài)熱塑性樹脂和化學(xué)助劑，通過高速攪拌進(jìn)行充分混合、均質(zhì)；利用塑料成型設(shè)備(壓塑成型設(shè)備或擠塑成型設(shè)備等)，對(duì)成型工藝參數(shù)如壓力、溫度、時(shí)間等進(jìn)行控制，制備出再生塑料制品，實(shí)現(xiàn)熱固性塑料的循環(huán)利用。

2實(shí)驗(yàn)部分

2．1原材料。廢舊熱固性酚醛樹脂外墻保溫板邊角料：中商保溫材料(廊坊)有限公司；聚氯乙烯：蘇州裕辰隆工程塑料有限公司。2．2設(shè)備及儀器。熱固性塑料粉碎再生回收實(shí)驗(yàn)專機(jī)[15]：自制，該實(shí)驗(yàn)機(jī)粉碎腔分為剪切腔和研磨腔兩個(gè)部分，三維模型如圖2所示，其中剪切腔主要由剪切刀軸1和環(huán)形定刀2組成；研磨腔主要由靜磨盤3和動(dòng)磨盤4組成；圖2實(shí)驗(yàn)機(jī)粉碎腔三維模型立軸式復(fù)合破碎機(jī)：鄭州偉澤機(jī)械設(shè)備有限公司；立式攪拌機(jī)：瑞安市瑞誠橡塑機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)：上海齊才液壓機(jī)械有限公司；核磁共振交聯(lián)密度分析儀：MicroMR–CL型，上海紐邁科技公司；紅外光譜儀：Nicolet67型，美國ThermoNicolet公司；掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM–6490LV型，日本電子株式會(huì)社；電液伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)：MTS–809型，美國MTS公司。2．3實(shí)驗(yàn)過程利用立軸式復(fù)合破碎機(jī)將實(shí)驗(yàn)材料破碎成粒徑為1～2mm的顆粒，在熱固性塑料粉碎再生回收實(shí)驗(yàn)專機(jī)中對(duì)顆粒進(jìn)行超細(xì)粉碎，每次實(shí)驗(yàn)加入的物料為60g，設(shè)置實(shí)驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2500r／min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為90min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集酚醛樹脂粉末。得到的酚醛樹脂粉末表現(xiàn)出較高的活性，在擠壓應(yīng)力作用下能發(fā)生較明顯的塑性成型能力。利用振篩機(jī)進(jìn)行篩分，收集粒徑為160目(96μm)的酚醛樹脂再生粉末，并將再生粉末和聚氯乙烯按照比例充分混合后，利用平板硫化機(jī)，在溫度180℃、壓力10MPa、模壓時(shí)間10min、冷壓時(shí)間5min的工藝參數(shù)下，按照模壓成型的方法制作成酚醛樹脂再生板材。

3結(jié)果與討論

3．1機(jī)械力對(duì)熱固性酚醛樹脂物化性質(zhì)的影響。熱固性酚醛樹脂是酚類和醛類化合物在堿性催化劑作用下通過縮聚反應(yīng)生成的一種高分子化合物，在分子結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為苯環(huán)和苯環(huán)之間以亞甲基橋(—CH2—)交聯(lián)形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。從化學(xué)鍵的組成種類來看，熱固性酚醛樹脂主鏈上的交聯(lián)鍵是C—C鍵，支鏈上主要是C—O鍵、C—H鍵、O—H鍵，其中C—C鍵的鍵能為332kJ／mol，C—O鍵的鍵能為326kJ／mol，C—H鍵的鍵能為414kJ／mol，O—H鍵的鍵能為464kJ／mol。由圖4a可看出，粉碎腔內(nèi)流場整體上處于紊流狀態(tài)，顆粒間相互混摻，運(yùn)動(dòng)無序，在磨盤邊緣處的切向速度最大。由圖4b可看出，粉碎腔內(nèi)應(yīng)力場強(qiáng)度分布不均，在磨盤磨齒的齒面處表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在磨齒的端面處表現(xiàn)為拉應(yīng)力。因此，材料在粉碎過程中，會(huì)受到反復(fù)的擠壓、摩擦、沖擊等形式的機(jī)械力作用，在酚醛樹脂分子鏈上產(chǎn)生隨機(jī)分布的內(nèi)應(yīng)力。在應(yīng)力集中處，鍵能較弱的C—C鍵和C—O鍵發(fā)生斷裂，生成自由基，表現(xiàn)為圖5紅外光譜中2908cm–1處的亞甲基徑的減小，C—C鍵以及C—O鍵斷裂數(shù)目的增多，材料內(nèi)部的交聯(lián)鏈信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生明顯降低，酚醛樹脂體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，生成線型結(jié)構(gòu)的分子鏈，使材料重新恢復(fù)了部分塑性成型的能力。3．2再生板材的性能。(1)微觀形貌。圖7a中高亮、表面較為光滑且形狀近似球體或橢圓體的顆粒為聚氯乙烯，暗色、表面較為粗糙且形狀不規(guī)則部分為酚醛樹脂再生粉末，經(jīng)過高速攪拌混合后，再生混合料混合均勻；圖7b中形狀不規(guī)則的顆粒為酚醛再生粉末顆粒，在模壓成型過程中，固態(tài)的聚氯乙烯變成熔融狀后與酚醛再生粉末之間緊密結(jié)合，說明酚醛再生粉末和聚氯乙烯之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，能夠形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，有利于再生板材獲得較好的力學(xué)性能。(a)(b)a—再生混合料；b—再生板材圖7再生混合料和再生板材的微觀形貌SEM照片(2)力學(xué)性能。分別根據(jù)GB／T1040.2–2006和GB／T1449–2005制作酚醛樹脂再生板材的拉伸和彎曲試驗(yàn)樣件，利用電液伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測量拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，結(jié)果見圖8。由圖8可看出，再生板材具有較好的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度為3.78～19.02MPa，彎曲強(qiáng)度為11.72～36.85MPa。酚醛樹脂再生粉末的含量對(duì)再生板材的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度都有較大的影響，隨著酚醛樹脂再生粉末含量的增大，再生板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度先逐漸增大，當(dāng)再生粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%后，再生板材的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當(dāng)再生粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%后，再生板材的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

4結(jié)論

(1)在處于紊流狀態(tài)的流場作用下，粉碎腔內(nèi)顆粒間相互混摻，運(yùn)動(dòng)無序，應(yīng)力場強(qiáng)度分布不均，表現(xiàn)為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力共存，材料在粉碎過程中，會(huì)受到反復(fù)的擠壓、摩擦、沖擊等形式的機(jī)械力作用，在酚醛樹脂分子鏈上產(chǎn)生的隨機(jī)分布應(yīng)力會(huì)破壞交聯(lián)鍵，使材料恢復(fù)部分塑性成型的能力。(2)酚醛樹脂再生粉末具有較強(qiáng)的活性，且與聚氯乙烯之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，能夠形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，混合料中再生粉末的含量對(duì)再生板材的力學(xué)性能有較大影響，再生粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，再生板材的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，再生粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，再生板材的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大。

作者:董慧芳 路玲 胡健 宋守許 單位:1.巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院