СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B29B17/00 B29B7/34 B29B7/42 C08J11/04 C08J11/14 

Изобретение относится к способам и устройствам для обработки полимерного материала, в частности для регенерации резины, и может быть использовано, например, на предприятиях резиновой, кабельной промышленности, при утилизации изношенных автомобильных покрышек, для производства сырой резины и другой полимерной продукции.

Известен процесс пластикации вулканизированной резины, который состоит в продавливании перерабатываемого материала через узкий и очень длинный зазор, температура в котором может регулироваться за счет внешних источников. Процесс осуществляется в шнековом аппарате, причем шнек обеспечивает транспортировку вулканизованной резины к зазору и создает необходимое давление [1].

Известен процесс деструкции резин и полимерных материалов, который реализуется в устройстве, состоящем из ряда последовательно расположенных статоров и роторов, имеющих винтовую поверхность. Деструкция полимерного материала осуществляется за счет особой волнообразной формы роторов и статоров, наличия многозаходных винтовых поверхностей и специальных фильтров, которые пропускают продеструктированный полимерный материал и задерживают непродеструктированный, в результате чего он подвергается повторной деструкции [2].

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является процесс, описанный в авторском свидетельстве СССР, по которому вулканизованную резину обрабатывают в шестизонной червячной машине в присутствии мягчителя или смеси последнего с активатором регенерации [3].

Общим недостатком аналогов является недостаточная стабильность свойств, неудовлетворительная однородность получаемого материала и ограниченная управляемость процесса.

Задачей при создании изобретения явилась разработка способа и устройства для регулирования деструкции обрабатываемого материала и получения последнего с заданными физико-механическими свойствами, а техническим результатом - минимальное выделение летучих веществ, соответствующее предельно допустимой концентрации, чем обеспечивается экологическая безопасность данного процесса. Кроме того, обеспечивается требуемый уровень деструкции обрабатываемого материала.

Для достижения технического результата мягчитель (вода, смесь воды с маслом) вводят в первую и вторую зону обработки, при этом в первую зону в количестве 0.1-1.0%, во вторую - 0.5-5% мягчителя от массы обрабатываемого материала, создают температуру в первой зоне 90 - 130^oC, во второй 110-160^oC и давление пара 10-20 кПа и 15-40 кПа в первой и второй зонах соответственно, а в выходной зоне снижают давление пара до 10 кПа.

Надлежащее качество конечной продукции, а именно, молекулярно-массовое распределение золь-фракции полимерного материала, доля гель-фракции и содержание летучих примесей обеспечивается выбранной конструкцией аппарата, благодаря которой происходит гидродиссипационная регенерация полимерного материала, например резины. Гидродиссипационная регенерация заключается в диссипации приложенной механической энергии через активацию молекул воды, которая играет роль промотора при разрушении полимерной сетки и одновременно мягчителя.

Пример 1. Натуральный каучук марки "смокин-шит" в количестве 10 кг загружается в устройство. В первой зоне устройства полимерный материал разогревается до 105^oC, в него вводится вода в количестве 0.1 % от массы полимерного материала и создается давление пара 12 кПа. Затем полимерный материал поступает во вторую зону устройства, где он разогревается до 130^oC, в него вводится 0.5% воды от массы обрабатываемого материала и создается давление пара 30 кПа. В выходной зоне давление пара снижается до 10 кПа. Получают 9.9 кг полимера в виде вязкой жидкости коричневого цвета. Молекулярные характеристики исходного полимера: Mw=2200000, содержание гель-фракции 46%; конечного полимера: Mw=54000, содержание гель-фракции 8%.

Пример 2. Шинная крошка в количестве 10 кг загружается в устройство. В первой зоне устройства шинная крошка разогревается до 130^oC, в нее вводится вода в количестве 0.7 % от массы крошки материала и создается давление пара 15 кПа. Затем шинная крошка поступает во вторую зону устройства, где разогревается до 160^oC, в нее вводится 4.5% воды от массы крошки и создается давление пара 38 кПа. В выходной зоне давление пара снижается до 10 кПа. Получают 10.2 кг регенерированной резины в виде резиноподобной массы черного цвета.

Физико-механические свойства вулканизата, полученного на основе регенерированной резины: прочность на разрыв - 99 кг/см², относительное удлинение - 285%, остаточное удлинение - 8%.

Пример 3. Крошка отходов производства резинотехнических изделий (РТИ) в количестве 10 кг загружается в устройство. В первой зоне устройства крошка РТИ разогревается до 130^oC, в нее вводится вода в количестве 0.5 % от массы крошки материала и создается давление пара 12 кПа. Затем крошка РТИ поступает во вторую зону устройства, где разогревается до 160^oC, в нее вводится 3.0% воды от массы крошки и создается давление пара 20 кПа. В выходной зоне давление пара снижается до 10 кПа. Получают 10.2 кг регенерированной резины в виде резиноподобной массы. Физико-механические свойства вулканизата, полученного на основе регенерированной резины: прочность на разрыв - 98 кг/см², относительное удлинение - 250%, остаточное удлинение - 5%.

Известно устройство роторного типа для обработки гомогенных сред, снабженное размещенным между внутренней и наружной обоймами подшипников обечайки с направляющими, расположенными на обеих сторонах обечайки по винтовой линии; угол наклона направляющих к плоскости, перпендикулярной оси вращения подшипников, равен 10-30^o; направляющие, расположенные на наружной поверхности обечайки установлены по винтовой линии в направлении вращения подшипников, а направляющие на внутренней поверхности обечайки - против направления вращения подшипников [4].

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является [5]. Устройство содержит шнек для подачи обрабатываемого материала, корпус, бункерный узел с обогревом, станину, терморегулирующий механизм, ступенчатый цилиндрический вал c увеличивающимися по мере приближения к выходной части диаметром ступеней и электропривод.

Общим недостатком аналогов является невысокая производительность, недостаточно высокое качество продукта на выходе и недолговечность рабочих органов устройства.

Техническим результатом при разработке заявляемого устройства явилось достижение оптимального уровня деструкции обрабатываемого материала и существенное повышение долговечности рабочих органов устройства.

Для этого устройство снабжено многозаходным шнеком в каждой зоне обработки материала и щелью, образуемой корпусом и соответствующей ступенью цилиндрического вала и расположенной после многозаходного шнека. При этом диаметры многозаходных шнеков по мере приближения к выходной части увеличиваются относительно друг друга на 0.5 шага шнека подачи. В выходной части устройства имеется зазор с возможностью регулировки, образуемый торцевой поверхностью выходного многозаходного шнека и крышкой, расположенной на корпусе над цилиндрическим валом.

Устройство, иллюстрируемое чертежом, содержит шнек 1 для подачи обрабатываемого материала, корпус 2, бункерный узел 3 с обогревом, станину 4, терморегулирующий механизм 5, ступенчатый цилиндрический вал 6 с увеличивающимся по мере приближения к выходной части устройства диаметром ступеней 7, 8 и электропривод 9. В зоне I имеются многозаходный шнек 10, щель 11, образуемая корпусом 2 и ступенью 7 вала 6; в зоне II - многозаходный шнек 12, щель 13, образуемая корпусом 2 и ступенью 8 вала 6.

В выходной части имеются многозаходный шнек 14, торцевая поверхность 15 этого шнека и зазор 16, образуемый поверхностью 15 и крышкой 17, расположенной на корпусе 2 над цилиндрическим валом 6.

Работает устройство следующим образом. Крупная крошка, например, со средним диаметром 30 мм, подается на шнек подачи 1 и транспортируется по многозаходному шнеку 10 зоны I. Последний расположен перед цилиндрической или конической щелью 11, служащей диафрагмой для регулирования пропускания обрабатываемого материала в следующую зону II и способствующей разогреву материала, который циркулирует по шнеку 10, разогреваясь до температуры 110-150^oC.

В зону I шнека 10 впрыскивается вода в соотношении 0.1-1.0% от массы материала, которая, испаряясь, размягчает последний. Перегретый материал через щель 11, образуемую корпусом 2 и ступенью 7 вала 6, поступает в зону II шнека 12, где обрабатываемый материал циркулирует в псевдоожиженном слое паровоздушной среды.

Впрыск воды в зону II в количестве 0.5-5.0 % от массы материала снижает температуру до 130-160^oC.

Уменьшение щели 13, образуемой корпусом 2 и ступенью 8 вала 6, в 2-2.5 раза по сравнению со щелью 11 увеличивает кратность циркуляции материала в зоне II, степень ее заполнения и тем самым эффективность самоистирания материала. Кроме того, увеличивается время пребывания в зоне II обрабатываемого материала. Увеличение диаметра шнека 12 относительно шнека 10 на 0.5 шага шнека подачи 1 приводит к увеличению скорости сдвига обрабатываемого материала, а уменьшение щели 13 относительно щели 11 - к увеличению напряжения сдвига обрабатываемого материала.

В выходной части III устройства материал попадает на многозаходный шнек 14, диаметр которого больше диаметра шнека 12 на величину 0.5 шага шнека подачи 1, и затем направляется в зазор 16, образуемый торцевой поверхностью 15 шнека 14 и крышкой 17, где подвергается окончательной пластикации (эффект Вайсенберга). В выходной зоне поддерживается давление 5-10 кПа. Зазор 16 имеет возможность регулировки за счет подъема-опускания крышки 17.

Обрабатываемый материал выходит из устройства. По сравнению с аналогичными способами и устройствами изобретение имеет ряд преимуществ:
- возможен контроль процесса и регулировка характеристик полимерного продукта (вязкость, молекулярная масса) в широком диапазоне, благодаря выбору соответствующих значений температуры и давления в рабочих зонах;
- значительно снижается износ рабочих органов устройства, чему способствует ступенчатый режим обработки материала и последовательность ввода мягчителя;
- обеспечивается непрерывность обработки полимерного материала;
- обеспечивается экологическая безопасность процесса.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 657614, 1951.

2. Патент США N 5115988, 1992.

3. Авт. св. СССР N 618385, кл.C 08 J 11/04, B 29 H 19/00, 1978.

4. Авт. св. СССР N 860848, 1981.

5. Авт. св. СССР N 144014, кл. B 29 B 7/42, 1962.

В способе обработки полимерного материала обрабатывают материал в устройстве по зонам в присутствии мягчителя или его смеси. Мягчитель вводят в первую зону обработки в количестве 0,1-1,0% от массы обрабатываемого материала. Во вторую зону обработки мягчитель вводят в количестве 0,5-5,0 %. Создают температуру в первой зоне 90-130^oС и давление пара 10-20 кПа, а во второй зоне создают температуру 110-160^oC и давление пара 15-40 кПа. В выходной зоне снижают давление пара до 10 кПа. Устройство для обработки полимерного материала содержит станину, корпус, ступенчатый цилиндрический вал, терморегулирующий механизм, многозаходный шнек в каждой зоне обработки материала, расположенную после шнека соответствующую ступень цилиндрического вала, образуемую корпусом и соответствующей ступенью цилиндрического вала щель. В выходной части устройства выполнен зазор с возможностью его регулировки, образуемый поверхностью выходного шнека и крышкой, расположенной на корпусе над цилиндрическим валом. Вал связан с электроприводом и выполнен с увеличивающимся диаметром ступеней к выходной части устройства. Диаметры многозаходных шнеков выполнены увеличивающимися друг относительно друга на 0,5 шага шнека к выходной части устройства. Зазор образован торцевой поверхностью выходного шнека и крышкой. Способ и устройство экологически безопасны, обеспечивают непрерывность обработки полимерного материала и контроль процесса в широком диапазоне, снижают износ рабочих органов за счет ступенчатого режима обработки и последовательности ввода мягчителя. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки полимерного материала, при котором материал обрабатывают в устройстве по зонам в присутствии мягчителя или его смеси, отличающийся тем, что мягчитель вводят в первую зону обработки в количестве 0,1 - 1,0% от массы обрабатываемого материала, а во вторую зону обработки в количестве 0,5 - 5%, создают температуру в первой зоне 90 - 130^oC и давление пара 10 - 20 кПа, а во второй зоне создают температуру 110 - 160^oC и давление пара 15 - 40 кПа, причем в выходной зоне снижают давление пара до 10 кПа. 2. Устройство для обработки полимерного материала, содержащее станину, корпус, ступенчатый цилиндрический вал, терморегулирующий механизм, многозаходный шнек в каждой зоне обработки материала, расположенную после шнека соответствующую ступень цилиндрического вала, образуемую корпусом и соответствующей ступенью цилиндрического вала щель, выполненный в выходной части устройства зазор с возможностью его регулировки, образуемый поверхностью выходного шнека и крышкой, расположенной на корпусе над цилиндрическим валом, и электропривод, отличающееся тем, что цилиндрический вал выполнен с увеличивающимся диаметром ступеней к выходной части устройства, при этом диаметры многозаходных шнеков выполнены увеличивающимися друг относительно друга на 0,5 шага шнека к выходной части устройства, а зазор образован торцевой поверхностью выходного шнека и крышкой.