利用廢舊地膜和廢鎳砂開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋

李　潔，牛小云，許開強

（1.甘肅省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，甘肅　蘭州　730000；2.民勤縣威瑞環(huán)保有限責(zé)任公司，甘肅　民勤　733300）

利用廢舊地膜和廢鎳砂開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋

李潔1，牛小云1，許開強2

（1.甘肅省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，甘肅蘭州730000；2.民勤縣威瑞環(huán)保有限責(zé)任公司，甘肅民勤733300）

利用廢舊地膜、廢鎳砂等廢舊材料開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋，產(chǎn)品具有機械性能強度高、耐堿、耐熱、耐寒、彈性模量高、表面平整、美觀大方的特點，屬于節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，本研究有效解決“白色污染”問題，提高了資源再利用率，有效保護(hù)了環(huán)境。

廢舊地膜；廢鎳砂；環(huán)保復(fù)合井蓋

1　概述

地膜覆蓋栽培技術(shù)自20世紀(jì)70年代開始興起，迅速在歐美、日本等國家普及，80年代以后大多數(shù)發(fā)展中國家應(yīng)朋地膜覆蓋技術(shù)的農(nóng)田面積不斷擴(kuò)大。但是，隨著地膜應(yīng)用的增長，其負(fù)面作用也逐漸顯現(xiàn)出來，由于殘膜不易回收難降解，對農(nóng)田和生態(tài)環(huán)境造成 了嚴(yán)重的影響，被人們由原來的“白色革命”改稱為“白色污染”。本研究采用廢舊地膜和廢鎳砂開發(fā)發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋，有效解決“白色污染”問題。

2　試驗部分

2.1主要原材料

廢舊地膜、廢鎳砂、交聯(lián)劑、防老劑、廢機油等。

2.2主要研究儀器和設(shè)備

HGDF-Ⅰ型控溫壓力機、電子天平、WD-Ⅰ型電子萬能測試機、偏光顯微鏡、電鋸、馬沸爐、掃描電子顯微鏡、單螺桿塑料擠出機、廢膜造粒機、井蓋成型機等。

2.3主要技術(shù)內(nèi)容

本項目將回收的廢舊地膜經(jīng)粉碎機粉碎成粉末狀后，加入31%～33%的廢鎳砂（按總量計），同時加入一定量廢棄機油、防老化劑等助劑，通過攪拌機充分?jǐn)嚢杈鶆颍邷叵逻M(jìn)行塑化，使再生塑料由固態(tài)粒料轉(zhuǎn)變?yōu)轲ち鲬B(tài) （一般設(shè)定溫度為140～200℃），承壓成型為安全防盜井圈、井蓋；之后進(jìn)行產(chǎn)品檢驗檢測。

2.4制備工藝

1）原料處理工序。將回收的地膜等塑料材料沖洗后送入廢膜造粒機組，出來的塑料顆粒按比例摻入工業(yè)廢鎳砂，通過增強、增塑、抗老化處理后送至成型工序。

2）成型工序。根據(jù)不同產(chǎn)品要求，將原料處理工序送來的半成品復(fù)合材料送至成型機加工成不同規(guī)格（輕型、普通型、重型）的井蓋、井圈。

3）質(zhì)量檢測。根據(jù)國家關(guān)于復(fù)合材料的有關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，對生產(chǎn)出來的井蓋、井圈等進(jìn)行質(zhì)量檢測，質(zhì)量檢測的方面包括其抗彎強度、缺口沖擊強度、抗壓強度、承載性等性能指標(biāo)，對于不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品返回原料加工車間二次加工。

井蓋、井圈生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程圖

2.5產(chǎn)品性能

本研究開發(fā)的環(huán)保復(fù)合井蓋性能符合CJ/ T121－2000標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的抗壓強度至少能達(dá)到35MPa、抗折強度至少達(dá)到18 MPa、抗凍融性抗壓強度損失率最大只有6%；熱老化抗折強度變化率最大0.3%；承載能力（允許殘留變形）1.0mm；主要性能檢測結(jié)果見表1：

表1　環(huán)保復(fù)合井蓋主要性能

3　結(jié)果與討論

3.1加工溫度的確定

溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，廢舊地膜在一定溫度條件下發(fā)生熔融，與填料充發(fā)生機械混合。另外，熔體粘度與溫度成反比關(guān)系，因而會使得擠出機的擠出量會因溫度的變化而受到影響。溫度過低，廢舊地膜塑化不良，導(dǎo)致與填料的混合不充分，混合效果不理想。溫度過高，廢舊地膜容易產(chǎn)生分解、焦料甚至碳化現(xiàn)象，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時，溫度的確定要同時考慮根據(jù)原料配方、擠出機、螺桿轉(zhuǎn)速的操作等綜合因素，因此綜合考慮上述因素，本研究溫度定為：加料段200℃、熔化段200℃、計量段200℃，該溫度下，材料混合均勻，擠出產(chǎn)品溫度較高，適于加工成型。

3.2防老化劑的選擇及用量確定

復(fù)合材料老化的主要原因是其基體的老化所致，造成復(fù)合材料老化的原因主要有以下三點：首先是高聚物中的老化弱點，如不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、催化劑殘留物等，會嚴(yán)重影響到高分子材料的老化性能，而這些老化弱點很多都是在聚合過符合程中被引入的；第二是在加工成型時，由于聚合物在熱、氧等的作用下發(fā)生熱老化；第三是在使用過程中，成品由于在空氣中與熱、氧、紫外線作用下，發(fā)生以自動催化氧化反應(yīng)為主反應(yīng)的氧化和分解。前兩種通常可采用改進(jìn)聚合工藝及對材料進(jìn)行工藝處理和后序處理等工藝解決。而第三種在使用過程中會隨著時間持續(xù)老化，必須對生成的游離基進(jìn)行穩(wěn)定，同時由于本研究所用的材料為廢舊地膜，本身已有老化問題，在再生利用過程中除重點考慮加工溫度外，在應(yīng)用過程中應(yīng)重點考慮其使用過程中的老化問題，通常情況下都是選擇添加防老化及劑來解決，但是選擇適宜的防老化劑及確定其用量是研究工作中的一個重點。本研究選用了3種老化劑，通過人工加速老化試驗考察了其抗彎性能。試驗結(jié)果見表2：

表2　防老劑含量對材料機械性能的影響

從實驗結(jié)果可以看出采用防老劑1，用量在2%時到達(dá)到了最佳性能。

3.3廢舊地膜和廢鎳砂配比的確定

本研究中廢舊地膜作為基體材料，廢鎳砂作為增強材料，廢舊地膜的主要成分為聚乙烯PE，這是一種熱塑性的塑料，就是說其加熱時變軟以至流動，冷卻變硬，這種過程是可逆的，可以反復(fù)進(jìn)行，這就是廢舊地膜可循環(huán)再生利用的前提條件，其主要起到粘合作用；廢鎳砂作為增強材料是由于其雖然是冶煉后的廢棄物，但是其成分中依然存在一定量的金屬鎳，還存在二氧化硅，這些都是非常好的增強材料。這兩種材料的配比直接決定產(chǎn)品的性能、使用強度及使用年限等。廢鎳砂含量相對增多時，使得產(chǎn)品中的孔隙增多，砂塑粘結(jié)性變差，產(chǎn)品內(nèi)部裂紋增多，從而在孔隙及裂紋處形成應(yīng)力集中，使得產(chǎn)品料機械性能降低，當(dāng)廢鎳砂含量相對減少時，產(chǎn)品韌性增加。另外，考慮保護(hù)環(huán)境及成本價格因素等綜合因素，本研究對廢舊地膜和廢鎳砂配比進(jìn)行了對比試驗，結(jié)果見表3：

表3　廢舊地膜和廢鎳砂配比實驗

從實驗結(jié)果可以看出廢舊地膜和廢鎳砂配比在2：1時性能最佳。

3.4廢機油的用量確定

本研究采用廢機油作為分散劑，使得粉末狀廢地膜和廢鎳砂均勻混合，制備的井蓋井圈具有良好的機械性能；廢機油的主要成分為礦物質(zhì)油，這是一種良好的分散劑，其能夠與廢舊地膜、廢鎳砂有適當(dāng)?shù)南嗳菪裕瑢U鎳砂的表面進(jìn)行有效潤濕，改性廢鎳砂粒子表面性質(zhì)，防止固體粒子之間的團(tuán)聚，因而能夠減少完成分散過程所需要的時間和能量，穩(wěn)定所分散的增強材料—廢鎳砂，調(diào)整廢鎳砂粒子的運動性。故此，廢鎳砂能夠穩(wěn)定地分散在廢舊地膜樹脂基黏流態(tài)中。本研究對廢機油的用量進(jìn)行了研究，結(jié)果見表4。

表4　廢機油用量

從實驗結(jié)果可以看出廢機油用量在1.5%時分散效果最佳。

3.5交聯(lián)劑的選擇及用量確定

為了提高基體材料廢舊地膜的性能，必須對其進(jìn)行一定的改性，交聯(lián)是聚合物改性的一種重要方法。目前，聚乙烯交聯(lián)的方法主要有：過氧化物交聯(lián)、高能輻射交聯(lián)、硅烷交聯(lián)等。本研究采用硅烷交聯(lián)改性，硅烷偶聯(lián)劑是一類分子中同時含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團(tuán)的有機硅化合物，其曾粘作用主要是通過與聚合物生成化學(xué)鍵、氫鍵；潤濕及表面能效應(yīng)；改善聚合物結(jié)晶性、酸堿反應(yīng)以及互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的生成等而實現(xiàn)的。其經(jīng)典產(chǎn)物可用通式Y(jié)SiX3表示。Y代表非水解基團(tuán)。包括乙烯基或帶Cl、NH2、SH、環(huán)氧基、N3、OCOCMe=CH2、NCO等末端官能團(tuán)的烴基，即碳官能基；X代表可水解基團(tuán)，如OMe、OEt、OC2H4OCH3、Cl、OAc及OSiMe3等（最常見的是OMe，OEt）。Y中所帶的官能團(tuán)容易和有機聚合物中如Cl、環(huán)氧基、NCO、OH、NH2、COOH、SH、CH= CH2等反應(yīng)，從而使硅烷和有機基團(tuán)連接；當(dāng)硅官能團(tuán)水解時，則Si-X轉(zhuǎn)化成Si-OH，并副生HX，如中性的EtOH、MeOH、Me3SiOH、MeOC2H4OH及酸性的HCl、HOAc等。副反應(yīng)主要是Si-OH與Si-OH或被處理基材表面的Si-OH發(fā)生縮合脫水反應(yīng)形成Si-O-Si，還可與某些氧化物（如氧化鋁、氧化錫、氧化鋯、氧化鈦、氧化鎳等）反應(yīng)，生成穩(wěn)定的Si-O鍵合，這一反應(yīng)促使硅烷與無機物或金屬連接形成化學(xué)鍵連接。我們在偶聯(lián)劑選擇中主要考慮具有自由基的種類，自由基型硅烷偶聯(lián)劑的作用機理以ViSi（OOBu-t）3為例，但在受熱下t-BuOO可分解產(chǎn)生自由基，與樹脂反應(yīng)形成共價鍵結(jié)合，并導(dǎo)致產(chǎn)生良好的粘結(jié)性。有人指出，在通式為：R`mR`4-（m+n）Si（OOR）n的過氧化硅烷中，過氧基越多，則偶聯(lián)效果越好。若分子中R`為不飽和基時，則偶聯(lián)效果更佳。因此，我們選擇KH-570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）作為表面改性劑是適宜的。本研究也考察了交聯(lián)劑用量和產(chǎn)品抗彎強度的關(guān)系，結(jié)果見表5。

表5　交聯(lián)劑用量

從實驗結(jié)果看，交聯(lián)劑用量在2%時效果最佳。

4　結(jié)論

1）本研究95%以上的原材料采用廢棄物，符合環(huán)境保護(hù)和資源再利用的要求。

2）本研究的最佳配方參數(shù)為廢舊地膜和廢鎳砂為2：1，防老劑、廢機油、交聯(lián)劑用量（以總質(zhì)量計）分別為2%、1.5%、2%。

3）利用廢舊地膜、廢鎳砂等廢舊材料開發(fā)環(huán)保復(fù)合井蓋，產(chǎn)品具有機械性能強度高、耐堿、耐熱、耐寒、彈性模量高等特點。

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［2］ 唐憲友.井蓋用再生樹脂基復(fù)合材料的制備及性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文：33.

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