廢舊塑料與電石渣復合模板成型工藝的研究

劉 彤

(貴州大學化學與化工學院,貴州貴陽550003)

廢舊塑料與電石渣復合模板成型工藝的研究

劉 彤

(貴州大學化學與化工學院,貴州貴陽550003)

以廢舊聚乙烯和聚丙烯塑料及電石渣作為原料,采用模壓成型工藝與擠出成型工藝制造復合模板。對2種成型工藝所得模板樣品的宏觀形貌與力學性能進行了比較。結果表明,擠出成型工藝更適合復合模板的成型加工,擠出成型工藝生產的模板宏觀形貌致密、均勻,沖擊強度、彎曲強度、彈性模量比模壓成型工藝所得模板分別提高了29.8%、36.6%、25.9%。

廢舊塑料;聚乙烯;聚丙烯;電石渣;模板;成型工藝

0 前言

我國城市固體廢棄物中,廢舊塑料占0.4%～1.5%,且以每年10%的速度遞增[1]。而從環保和節約資源角度看,對于廢舊塑料的處理技術中再生與利用是最理想的方法。所以,廢舊塑料再生利用越來越成為我國資源再生和環境保護事業的一個重要方面[2]。電石渣是工業生產聚氯乙烯、聚乙烯醇、乙炔氣等產品過程中,電石CaC2水解后產生的廢渣[3]。電石水解獲取乙炔氣后產生的廢渣,顆粒十分細微,因含微量的碳及硫雜質而呈灰白色,有微臭味,主要成分是CaO,渣液p H值在12以上,電石渣如得不到妥善的處理,直接露天堆放,將占用大量的土地,并污染附近的土壤及水體,因而常給環境造成嚴重污染[4-5]。我國每年堆放的電石渣就有數百萬噸,如處理不當會嚴重制約企業的發展[6]。本課題利用工業廢渣電石渣作為填充劑,填充廢舊塑料生產復合模板,該模板具有成本低、幅面大、強度高、表面光滑、易脫模、可塑性好等優點,可用作建筑施工中混凝土澆注支撐模板、組拼式墻體大模板、頂板專用大模板、門窗口模板等。該模板的使用實現了廢舊塑料和電石渣的資源化再生利用,減少了二者對環境的污染,不僅使其“化害為利、變廢為寶”,又為建筑工程增加了新材料。形成“資源 -產品-再生資源-再生產品”的循環經濟產業鏈。該模板在建筑市場將有廣泛的應用前景,具有巨大的經濟效應和社會效應。

本文對廢舊塑料與電石渣復合模板的成型工藝進行了研究,通過對模壓成型工藝和擠出成型工藝所得產品的宏觀形貌與力學性能的對比,選出適合該模板生產的成型工藝,對實際生產進行科學指導。

1 實驗部分

1.1 主要原料

廢舊聚丙烯(PP)、廢舊聚乙烯(PE),回收;

電石渣,取自貴州某廠,化學成分如表1所示。

表1 電石渣的化學成分Tab.1 Chemical contents of carbide slag

1.2 主要設備及儀器

塑料破碎機,PC-300E,青島寶鼎塑料機械有限公司;

雙螺桿擠出機,ZC-20,南京智誠塑料有限公司;

電子萬能試驗機,CMT4104,深圳市新三思材料檢測有限公司;

擺錘沖擊試驗機,ZSC-4C,深圳市新三思材料檢測有限公司;

數碼照相機,D70,日本尼康公司;

模具,1830 mm×915 mm×10 mm,自制。

1.3 樣品制備

采用模壓成型工藝第一步是對廢舊塑料進行預處理(清洗、破碎、微縮),將待清洗的廢舊塑料放在稀堿水中浸泡 2 h,再攪拌 5～8 min;然后將其放入第一遍清水中攪拌 5～8 min,再放入第二遍清水中攪拌5～8 min;最后將其晾干。接著,將清洗后的廢舊塑料破碎成粒徑小于2 cm的粒料。隨后將破碎后的塑料料粒在150℃溫度條件下加熱2 min以使原材料體積微縮,方便加料與混料。第二步將預處理好的廢舊塑料和填充劑電石渣混合均勻(混合配方如表2所示)。將其放入刷好機油(方便脫模)的模具,鋪平共混料。第三步是將放入共混料的模具放入烘房,在220℃的溫度下加熱1 h,使基體樹脂熔融,充分包裹電石渣。第四步是在加熱1 h后,在模具上施以一定壓力壓制(壓力為3.0 MPa),加壓時間保持30 min。第五步將模具取出烘房,充分冷卻12 h后脫模,獲得模板樣品。其后對樣品的宏觀形貌進行觀察并且對其進行沖擊強度、彎曲強度、彈性模量等力學指標的檢測。其實驗工藝流程如圖1所示。

表2 實驗配方Tab.2 Experimental formula

圖1 模壓成型工藝流程Fig.1 Processing chart for hot moulding technique

擠出成型工藝第一步是對廢舊塑料進行預處理(清洗、破碎),將待清洗的廢舊塑料放在稀堿水中浸泡30 min,再攪拌4～5 min;然后將其放入第一遍清水中攪拌4～5 min,再放入第二遍清水中攪拌4～5 min;最后將其晾干。接著將清洗后的廢舊塑料破碎成粒徑小于3 cm的粒料。第二步將破碎晾干后的廢舊塑料通過傳送帶送進螺桿擠出機進料口,開始第一段螺桿加熱擠出,第一段螺桿轉速為30 r/min,機筒溫度為190℃。第三步是往第一段與第二段螺桿之間設置的進料口中加入一定量的電石渣(混合配方如表2所示)。使其與第一段螺桿擠出的熔融基體樹脂在第二段螺桿中能共混均勻,第二段螺桿轉速為25 r/min,機筒溫度為150℃。第四步是從第二段螺桿擠出的共混熔體經 1個壓片輥和 2個冷卻輥壓延后(壓力為3.5 MPa),通過長達 50 m的傳送帶(傳送速度為60 m/h),傳送至切割機進行切割,再自然冷卻6 h后得到模板樣品。其后對樣品的宏觀形貌進行觀察并且對其進行沖擊強度、彎曲強度、彈性模量等力學指標的檢測。其實驗工藝流程如圖2所示。

圖2 擠出成型工藝流程Fig.2 Processing chart for extrusion technique

1.4 性能測試與結構表征

采用擺錘沖擊試驗機,按 GB 2411—1983測試樣品的沖擊強度,從2種成型方法制備的模板樣品上各取5組試樣,所測得數據的算術平均值便為該模板樣品的沖擊強度。試樣長(300±1)mm,寬(20±0.5)mm,厚(10±1)mm,測試溫度為(20±2) ℃;

采用電子萬能試驗機,按 GB/T 17657—1999測試樣品的彎曲強度與彈性模量,從2種成型方法制備所得的模板樣品上各取5組試樣,所測得數據的算術平均值便為該模板樣品的彎曲強度與彈性模量。試樣長(250±1)mm,寬(75±1)mm,厚(10±1)mm,測試溫度為(20±2)℃;

將2種成型工藝所制得的模板樣品以其長度方向的中間點沿寬度方向畫一條切割線,沿該切割線用專業木工電圓鋸對模板樣品進行切割,再用尼康D70相機對其切割后的斷面進行拍照(鏡頭采用50 mm F5.6),然后將所拍攝的圖片通過Photoshop軟件處理優化后,觀察其宏觀形貌。

2 結果與討論

2.1 模壓成型工藝與擠出成型工藝模板樣品宏觀形貌對比

由圖3可以看出,模壓成型工藝制備的模板樣品宏觀照片顯示其斷面凹凸不平、光潔度差,廢舊塑料熔體未能充分包裹電石渣粉末,有一定的掉灰現象,同時斷面有大量氣孔產生。擠出成型工藝模板樣品宏觀照片顯示其斷面光滑,有一定光澤,廢舊塑料熔體能充分包裹電石渣粉末,材料致密性好,斷面表面無氣孔產生。這是因為模壓成型工藝中廢舊塑料與電石渣混合料熔化后黏度較高流動性差,且成型時模具受熱情況不均,混合料熔體固化時易在試樣表面及內部形成裂痕,致使試樣的成型性差,嚴重影響復合模板的性能。同時由于預處理后廢舊塑料中仍會含有一定的水分,其在生產過程中受熱產生水蒸氣,模壓成型工藝未能較好的解決這部分氣體排出問題,使試樣產生內應力,并出現氣泡、翹曲等缺陷。而擠出成型工藝由于采用兩段螺桿擠出與三輥壓延成型的方式,使廢舊塑料熔體與電石渣能共混均勻,并且共混物又受到多次輥壓,使材料的致密性得到提高,同時由于該工藝在每一段螺桿擠出的過程中都設有排氣裝置,將生產中產生的氣體及時地排出,使產品中氣孔數量大大降低,提高了產品的質量。因此可以看出,擠出成型工藝模板樣品的宏觀形貌比模壓成型工藝的模板樣品的宏觀形貌更加致密、均勻。

圖3 模壓成型工藝與擠出成型工藝模板樣品宏觀形貌對比Fig.3 Comparison of macroscopic morphology of formwork made by hot moulding and extrusion respectively

2.2 模壓成型工藝與擠出成型工藝模板樣品力學性能對比

由表3可以看出,模壓成型工藝模板樣品的沖擊強度、彎曲強度、彈性模量分別為 34.9 kJ/m2、27.9 MPa、2.7 GPa,擠出成型工藝模板樣品的沖擊強度、彎曲強度、彈性模量分別為 45.3kJ/m2、38.1 MPa、3.4 GPa。擠出成型工藝所生產模板的沖擊強度、彎曲強度、彈性模量比模壓成型工藝所生產的模板分別提高了29.8%、36.6%、25.9%。這是因為模壓成型工藝生產過程中原料共混不均勻,工藝上排氣不良導致制品中出現大量氣孔,致使制品產生致密性差,制品表面粗糙,力學性能不好等問題。擠出成型工藝能讓原料共混均勻,通過輥壓使產品有較好的致密性,同時較好的解決了工藝上排氣問題,使制品更加致密,力學性能得到較大提高。因此可以看出,擠出成型工藝制備的模板的力學性能要優于模壓成型工藝所得模板。

表3 模壓成型工藝與擠出成型工藝模板樣品力學性能對比Tab.3 Comparison of mechanical properies of formwork made by hot moulding and extrusion respectively

3 結論

(1)擠出成型工藝模板樣品的宏觀形貌比模壓成型工藝的模板樣品更加致密、均勻;

(2)擠出成型工藝比模壓成型工藝模板的沖擊強度、彎曲強度、彈性模量分別提高了29.8%、36.6%、25.9%,因此擠出成型工藝所得模板樣品的力學性能要優于模壓成型工藝所得模板。

[1] 高 光.城市垃圾處理與管理對策研究 [J].城市環境與城市生態,2000,1(2):36-39.

[2] 王東利.塑料生產與環境可持續發展[J].自然辨證法通訊,2000,130(22):28-36.

[3] 王慧青,童繼紅,沈立平.電石渣的資源化利用途徑[J].化工生產與技術,2007,14(1):47-50.

[4] 程傳武.電石渣和粉煤灰的綜合利用[J].聚氯乙烯,2008,36(2):40-44.

[5] 閆 琨,周康根.電石渣綜合利用研究進展[J].環境科學導刊,2008,27(增刊):103-106.

[6] 劉春英.工業廢棄物—電石渣的國內現狀及其資源化方向[J].原料與品種,2005,(6):17-20.

Research on Moulding Process of Waste Plastics and Carbide Slag Compound Formworks

LIU Tong
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Compound formworks were made from waste plastics(PE,PP)and carbide slag,and two molding methods,hotpressing and extrusion were compared.It showed that the extrusion molding was superior to hotpressing,dense and even-texture,better mechanical properties were obtained.The impact strength,the flexural strength ,and the elasticity modulus of the extrusion based formworks were 29.8%,36.6%,and 25.9%higher than those based on hotpressing molding.

waste plastics;polyethylene;polypropylene;carbide slag;formwork;moulding process

TQ325.1+2、TQ325.1+4

B

1001-9278(2011)03-0085-04

2010-10-11

聯系人,lthgxy@126.com