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将回收塑料变废为宝
作者:Eike Klünker
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塑料粉碎机展厅
塑料粉碎机, 橡胶粉碎机, 塑料回收机, ...
众所周知,作为制造塑料原料的地球化石资源终究是有限的,石油能源价格的不断上涨带来了日益严重的社会问题,以及塑料材料的使用产生了越来越严重的环境保护问题,还有如何实现社会的可持续发展的问题也日益凸显。在此背景下,塑料材料的回收利用也引起了很高的社会关注度。

塑料材料在我们日常生活中的许多领域已经占据着主导地位,并正在越来越快地取代一些传统的材料,如钢、轻质金属和陶瓷等等。塑料材料的使用使得人们有可能减少传统材料部件的重量,或在产品设计上可以进行选择性地使用,以便实现新的功能自由。但是对于一个“塑料时代”来说,却一直存在着一个不可忽视的挑战,那就是因为塑料的生产原料来自于地球的化石资源,这种资源终究是有限的。而且塑料的自然降解是一个非常缓慢的漫长过程,其彻底降解需要长达好几百年的时间。这一挑战所产生的问题将会越来越严峻。可喜的是,人们也已经越来越意识到了这一点,现代社会也在日益呼唤着如何以一种可持续的方式来实现对塑料材料的循环利用。因此塑料材料的回收利用就具备了巨大的社会效益。不同类型的回收,比如如热能、能源、机械化回收和自动给料回收等形式,其目的都是为了更充分地利用好塑料制品或塑料材料,为了更有效地增加它们的价值并延长他们原定的生命周期。

塑料回收需要分类处理

塑料的机械化回收可以分为两种形式,一种是在工厂生产线中的直接回收形式(生产线直接回收),另一种形式是在塑料制品实现预定用途后的回收,即被消费后的回收(消费后回收)。机械化回收可以实现塑料材料的再利用,既可以进行原来的同类应用,也可实现新的不同类型的应用,例如可以通过重新熔化和热塑性塑料的再次成型加工塑造出其他类型的产品。但是在使用消费后的废旧塑料重新作为原料返回到生产循环中去的时候,这种整理过程可能是必要的——为了完成其计划实现的更进一步功能——首先需要保证这些待处理的废塑料是单一种类的。这可以利用原料整理机和分类机来实现待处理材料的分类,如奥地利的一家公司(BT-Wolfgang Binder GmbH)提供的全自动化原料整理和分类机。它可以实现全自动化分类操作。它是一种光学分选设备。这种设备利用了红外线识别技术,可以识别和分离一系列类别明显不同的材料,例如将塑料(包括PET、PE、PP-HD等)、纸张、纸板、金属和玻璃等材料进行分类分拣,这种分拣机的处理量最高可以达到每小时25吨左右。

还可以通过组合不同种类的传感器实现材料识别功能,如利用颜色传感器来进行近红外光谱分析,进行材料识别和颜色识别。利用线阵相机技术来进行颜色识别,或利用X-射线荧光技术来进行材料的化学组分识别。特别是在塑料领域中利用这些技术的不同组合形式,可以形成不同的解决方案,还能够实现更大范围的分类,达到很高的纯度水平。通过分类和分拣之后的材料可以进入到下一步的回收环节中。

分解为可处理的小颗粒

对于一个实用的具有成本效益的塑料回收过程来说,将需要回收的塑料废料分解成为大小均匀和形状统一的颗粒是此过程中非常重要的环节。因为大小不均匀或形状不统一的颗粒往往会导致连续运行的挤压机产生进料故障和不能准确计量等问题。因为在这些机器内部,还必须对再生材料进行清洗、造粒或者直接处理等操作。如果之前没有对原料进行均一化处理的话,是无法实现一个连续稳定的回收处理过程的,而且这一过程也不具有成本效益。特别是在一些塑料生产线上的自身回收过程中,一般的产品废料还可能被直接反馈到制造过程中。将不同大小的废塑料粉碎成均一形状的原料粒子,对于确保回收生产过程的连续性,确保成本效益,实现灵活柔性化生产等方面均是非常必要的。

德国威马机械制造有限公司(Weima Maschinenbau GmbH)提供了一种极其灵活的粉碎机系统。蜘蛛式万能粉碎机(图1)可以配有三种不同类型的马达,送料宽度可分为1,000毫米、1,500毫米和2,000毫米三种。这种设计可以覆盖从低产量到高产量的不同生产应用要求。除了装备有滚筒驱动的材料推动器和一个内置的位移测量系统之外,作为备选项,这种单轴粉碎机还可以配用液压驱动装置。因此可以使用较低功率的马达来实现高转矩输出,从而减少了能源的消耗。而且相对于使用齿轮传动的电机驱动器来说,液压驱动器还具有很多优点,比如不易受其他因素干扰,可以确保实现不间断工作和只需要很少的维护保养操作等。

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德国海因里希德雷尔公司(Heinrich Dreher GmbH),是一家专业从事对固体塑料部件和特大型塑料部件等进行粉碎处理的公司。其生产的SRV系列块状造粒机适用于处理那些密度大的,基本不压缩变形的塑料部件和厚壁塑料部件,如塑料大块,塑壳顶部和尾部部件,挤压机的出料,塑料板材和塑料管道的粉碎、造粒处理等。其可处理的单件塑料部件的重量可达400公斤,对于这些大块头材料可以直接进行粉碎处理,无需进行预切割处理,因此这种机械可以作为造粒机的一个功能模块。这种机械可以通过改变粉碎机转子的形状和切割器刀杆的组合布置实现统一切割,而且驱动装置也不会发生任何超载现象。

除了那些超大型和固体塑料部件之外,一些不能自由流动的轻质塑料废料进行到切割环节和进一步处理时,也会给过程工程师提出极大的挑战。针对这种情况,使用德国赫博尔德公司(Herbold Meckesheim GmbH)生产的的塑料挤压机,可以实现将过程废料直接送入机器处理来生产制造发泡聚苯乙烯隔热板。被送入到塑料挤压机中的流动性较差的材料,如一些泡沫材料等,通过挤压机的处理可以转换成具有高堆积密度的团块聚集物。当然这一过程必须是非常轻柔的,因为所输入的材料还没有处于熔化状态,而只是进行了几秒钟的轻微烧结处理,这种烧结处理是通过一个固定盘和一个旋转盘(图2)之间的轻微烧结加热来进行的。由于塑料挤压机不需要预先加热过程,因此挤压机是随时处于生产准备状态的。只要它被启动就可以马上生产。

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对于冲压模具产生的废料和生产线废料的内部循环回收过程来说,是伴随着热加工成型过程的。针对此种过程,德国黑尔韦格公司(Hellweg Maschinenbau GmbH)开发了一种输入造粒机(图3)。该RST-300系列热成型造粒机可以允许承受厚度高达5毫米的材料直接进料。物料进入造粒机的研磨室,然后通过调节输送电机的频率或调节输送臂系统的松紧程度来控制这些材料的运动速度,以便与上游生产设备的进给速度进行匹配。这种造粒机设计有可转动的刚性转子,这种转子制造成单体形状,可以平稳运行,不会产生任何不平衡力,同时还具有高扭矩特性。这家公司还可以提供不同的转子工作宽度和转子直径供用户选择。这种造粒机可以覆盖从每小时400公斤到每小时1200公斤的处理能力。

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过滤分离杂质

尽管人们已经开发出了比较完整的分拣和分类技术,但是它也还是不能完全剔除材料中混入的杂质。而在其后续的应用中,一般对材料中的杂质含量是有要求的。而且有的应用中不允许杂质存在,或者也可能允许存在一定程度范围内的少量杂质。因此需要对这些原材料进行过滤处理,市场上可以找到很多的用于除去那些不需要的杂质的一系列的熔体过滤系统,它们可用于从流动熔体中分离转移出所不希望存在的污染物。德国艾特灵格公司(Ettlinger GmbH)开发了ERF型的熔体过滤器(图4)。根据这家公司提供的相关资料,这种过滤器可以处理受污染的热塑性塑料熔体进料,一般可处理的杂质含量为18%以内,具体指标与特定材料有关。它的工作原理是:在熔体流中使用一个旋转滚筒筛,可以连续进行过滤处理,而且不需要任何的反吹洗处理,因此即使在高污染水平的情况下使用,也只带来极少的熔体损失。

除了这一点外,这种机器还具有保持压力高度恒定的优点,因此也可以适用于没有熔体泵的回收系统等特点。旋转滚筒筛上分布着数以百万计的圆锥形激光钻孔,被处理的杂质从转鼓内部被引导到旋转滚筒筛表面。这样,杂质就留在滚筒外面,而清洁的熔体从滚筒筛内部流出,这样,经过剔除杂质的熔体通过系统被向前输送以供进一步使用。旋转滚筒筛将转鼓外面的杂质连同少量的熔体传送到一个固定的剥离器,然后再通过一个螺杆输出器排出。旋转滚筒筛的移除和清理也非常简单,只需要很低的维护费用。

另一家德国公司(Kreyenburg GmbH)开发上市了一种新型的熔体过滤系统,是一种基于反冲洗置换原理基础上的设备(图5)。KSWE4K75V/RS型的反冲洗转换柱是基于动力反冲洗技术和75 %技术(75 %- technology)。这种过滤器的表面需要通过反冲洗原理进行清洁。

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当更换交换柱时,也只是从生产线中取出四分之一面积的交换柱进行更换,因此剩余的百分之七十五的过滤表面总是可用的,来保持生产的连续性。这样,就能保证一个非常稳定的过程压力,无论其在生产过程中,还是在更换交换柱过程中,以及在反冲洗过程中都能保证压力的稳定。根据该公司的提供信息显示,这种过滤器的优点还在于:其具有非常高的冲洗效率,交换柱的使用寿命也很长,它具有在线反冲洗功能,可以在不中断生产过程的情况下进行反冲洗操作,并且在线反冲洗只需要非常短的时间。而且在这种系统中使用了一种经过特殊设计的反冲洗柱,意味着整体过滤系统现在可以占用更少的空间。

除了使用机械过滤方式从塑料熔体中分离出污染物之外,市场上还有其他方式的熔体分离系统,比如奥地利挤压机制造商阿泰克机械有限公司(Artec machinery GmbH)推出的一种熔体分离系统,它可以根据原料组分之间分子量的不同来实现熔体中各类物质的分离和消除。这是一种具有创新性的过滤器系统,它提供了特别是能针对性地消除熔体中含有的低分子量杂质组分的能力。而这种杂质一般在加工过程中会降解高分子材料的热力机械性能,非常有害。熔体中的低分子量组分通常具有较低的蒸发温度,从而比高分子成分的塑料熔体具有更大的挥发性。

这种过滤器的工作过程是基于短分子链析出的原理,从而通过脱气装置从熔体中挥发分离出有害的聚合物组分。这一系统包含一个特殊的无塑化性的螺杆,通过这个专门设计的旋转着的螺杆来疏导熔体流。在深度切削“进料”环节中,将熔体卸掉压力并熔融后,然后通过一个高性能的两级真空泵单元进行脱气处理(图6)。经脱气处理后,含有高分子熔体的馏分进入螺杆的前部,螺杆的这一部分被设计为输送和压缩部。这种系统的中试装置已经部署用于聚合和直接生产PET薄膜生产线的直接回收型处理系统中。

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总体解决方案来满足广泛的需求

对于用户来说,能够将事情变得特别方便才是一个好的解决方案。各个机械制造商已经为不同的回收应用提供了各种解决方案。这些解决方案一般可以完成一个特定的任务,例如对进料的粉碎和干燥,对熔体进行脱气处理、过滤筛选和重新造粒等等。因此需要对这些各自独立的解决方案进行整合,以便形成总体解决方案来满足用户广泛的需求。

例如,奥地利Erema公司(Erema GmbH)制造的回收系统经常被用于薄膜和印刷用胶片(图7)的回收处理过程中。因为印刷油墨中所含有的粘合剂和其他辅助物质,经常会残留在经重新处理后的回收产品中,这种情况是制造商必须面对的一个关键性难题。制造商提供的一些资料表明,可以对一个单一操作中非常难处理的材料进行特殊处理,即经过高品质的研磨后再进行相应的处理。

切割机和挤压机一般是回收系统的核心环节。通过旋转的切割工具,输入机器的材料被进行切碎和混合处理,然后供给后续装置。与此同时还要对这些材料进行干燥,脱气和压实处理,以便它们可以被输送到挤压机中。在挤压机之后直接连接下游装置,进行进一步的脱气处理或过滤处理来除去杂质。

德国Gneuss公司(Gneuss Kunststofftechnik GmbH)利用其多螺旋系统(MRS)系列挤压机来处理消费后回收的PET塑料薄片或颗粒,然后将其进行聚合生产。通过这种系统生产的产品不必再经过预处理或后处理过程,就可以达到FDA批准的医用标准,可以实现不受限制的FDA使用。

这种聚合生产系统由具有脱气功能的挤压机组成。系统中包含一个在线式粘度计,因此可以实现全自动的粘度控制。系统中还包括一个能够可靠地去除杂质颗粒的旋转式熔体过滤器。在MRS挤压机的脱气处理部分,流动的熔体被引导到一个大型的、单螺杆型螺旋转鼓中,在旋转转鼓内部有8个输送螺杆,这些螺杆分别向相反的方向旋转(图8)。这就能确保一个很大的熔体过滤表面积,以便实现非线性的高效率的熔体交换功能。以这样的方式,熔体在20至40毫巴的真空条件下,此系统可以对含水量为1%或更多的输入材料进行脱气处理。与此同时,其中含有的所有挥发性的外来杂质也能被有效地除去。经过这样的一系列处理过程,就可以利用回收的原材料进行聚合生产,生产出可用于食品的容器、薄膜或托盘等。

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而对于那些PET废弃材料来说,通常存在着不同的形式,如包括薄碎片、纤维、编织物和块状塑料等多种形式。这些材料可以通过奥地利公司(Starlinger GmbH)制造的回收系统进行重新研磨处理,再次形成塑料颗粒原料,那些颗粒随后可以作为生产原料被送入纺纱厂进行再次利用。当然这种recoStar系列的基本型和通用型回收单元是一种系统性的总体解决方案,这种系统要求被回收物应该具有连续的、恒定的特性粘度,这是纺织行业中特别重要的参数。

同时,该系统还使用了一个集成的、不可分割的能源回收设备,通过此设备可以回收在造粒过程中产生的余热,并利用回收的热量对再研磨过程进行预加热。为了使系统能够对输入的不同形式的PET材料直接进行处理,其对应的输入单元同样配有一个粉碎装置,用于对输入材料进行粉碎处理。在粉碎处理之前,材料被加热到一定温度,这一温度刚好设定为材料的软化温度下限,这一预加热过程有利于材料的下一步后续压缩和干燥过程,同时还可以实现对输入材料的初步脱气处理。

通常情况下,农业部门中对废旧塑料的回收利用率大大高于其他行业和部门的平均水平。奥地利的下一代回收有限公司(Next Generation Recycling GmbH),开发出了F-GRAN系列回收生产线,专门用于农用塑料薄膜的回收(图9)。废弃农用塑料薄膜的薄片经过洗净并干燥处理后,通过一个特殊的进料罐,被输送到冷态回收挤压机中。在塑料薄膜回收系统中使用这种进料罐可以从结构上防止那些不易流动的塑料薄片形成桥型形状从而堵塞进料。这种回收系统采用冷态进料的形式可以避免任何不必要的材料成分破坏。此外,系统还含有一个特别设计的干燥过程用来达到最佳的能量平衡,实现能源节约。

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结论

上述这些系统的解决方案和实例说明了整个塑料加工行业正在进行的各种努力,他们开发出了各种有效处理回收塑料材料的解决方案,以回应社会的需求,实现社会的可持续发展。现在的生产商可以扩展产业链,增加其附加值,然后从回收塑料材料中产生更大的价值,这种做法已经被证明是非常有效的。然而过去存在的情形是:由于回收技术普遍存在不足,对废弃塑料的回收利用是无利可图的,制造商还往往会在价值和质量方面承担一些损失。但是现在,新型创新技术的极大发展,逐渐为我们提供了这种可能:完全可以使用回收塑料材料再次制造出具有更高质量的产品。

关于作者

Eike Klünker,生于1984年,是一名在塑料材料的反应性挤塑和复合生产领域的科研人员。
文章内容仅供参考 (投稿) (5/2/2013)
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