一种废旧酚醛塑料粉碎回收装备的设计

罗 辉 洪 文 郝 明

（合肥工业大学智能制造技术研究院，合肥 230009）

1 背景与现状

酚醛塑料由于性能良好被广泛应用，但是其物理性能稳定、耐酸碱腐蚀等特性导致其难以降解[1]。废弃的酚醛塑料制品具有一定的毒性，导致酚醛塑料废弃物对环境产生了较大的负面影响。因此，为了实现资源的可持续利用和酚醛塑料产业的长远发展，利用绿色回收技术回收废弃酚醛塑料成为重中之重。

废旧酚醛塑料再利用的主要方法有机械粉碎法、溶剂法、热解法以及能量回收法等[2-4]。利用能量回收法时，在废旧酚醛塑料燃烧过程中会产生有毒气体且大部分废旧热固性塑料不易燃烧，不利于推广。目前回收的主要用途是作为无机填料，而溶剂法和热解法成本较高。机械粉碎法具有回收成本低、工序简单、操作方便等优点，适用于低质量填料的酚醛塑料回收[5]。针对机械粉碎法，本文研究开发一套适合废旧酚醛塑料破碎回收的设备。设计的新设备产出的磨粉材料适合作为无机填料添加到其他材料中制成再生制品，从而实现酚醛塑料的回收再利用。

2 机械法再生机理

机械法再生主要是采用粉碎研磨的方式粉碎废旧酚醛塑料[6]。在粉碎过程中，酚醛塑料受到机械力的作用，在接触处产生应力场。随着机械力的作用不断产生热量，随着应力场的应力大于酚醛塑料本身破碎极限值，宏观上酚醛塑料颗粒不断破裂，微观上酚醛塑料分子间的范德华力被破坏。此时，分子中较为薄弱的化学键开始断裂，断裂处产生活化基团[7]。随着机械力的不断作用，酚醛塑料颗粒的粒径不断减小，颗粒的比表面积逐渐增大，同时分子层面断裂交联键也在不断增加，不断产生活化基团，使得粉末表面受到活化，恢复部分再加工成型能力。再生机理如图1所示[8-12]。

图1 废旧酚醛塑料机械法再生机理

3 废旧酚醛塑料粉碎回收装备

废旧酚醛塑料粉碎装备利用刀片旋转方式将大块状物料弄碎，然后经过挤压进一步减小物料体积，最后由研磨机构研磨成粉末状[13]。废旧酚醛塑料粉碎设备将粉碎、磨碎以及研磨设计为一体，将清洗烘干后的废旧酚醛塑料从进料口进入，先粉碎至10 mm 左右，然后进入磨碎装置，待磨碎粒度达到2 mm 以下后进入研磨装置，随后进行筛分，收集合格的部分，并再次研磨不合格的部分。

废旧酚醛塑料粉碎装备主要包括机架、粉碎仓、磨碎仓、研磨仓、研磨仓调节装置、筛分仓、动力系统（如电机1 和电机2）及控制组件等8 个部件，如图2 所示。

图2 酚醛塑料粉碎机整体布局

机架是用来支撑、安装设备的模块，主要由一些钣金件及控制箱组成。

在粉碎仓内，通过刀片旋转产生的撞击剪切作用，将大块的物料破碎成大块物料。粉碎仓主要包括粉碎箱、电机、传动杆、刀架、刀片、定刀具、筛网以及导料斗。粉碎箱安装在支撑架的顶部，开设有进料口和底部出料口；电机安装在支撑架上，带动传动杆转动；传动杆安装在支撑架上，位于粉碎箱，且与粉碎箱轴向平行；筛网呈柱面型，连接在底部出料口上，与粉碎箱围成一个粉碎空间；刀架安装在传动杆的圆柱面上，刀片安装在对应的刀架上；定刀具安装在筛网的内壁上；刀片通过相邻的两个定刀具撞击、挤压、搅动、振动、剪切从进料口进入的酚醛塑料，通过筛网的酚醛塑料进入磨碎仓的导料斗[14]。

磨碎仓的作用是进一步减小粉碎后的物料体积。根据粉碎效果，此处采用挤压形式，设计为滚筒式挤压，包括两个滚筒、传动杆和斜齿轮组。滚筒安装在支撑架上，且转动轴平行设计，并位于导料斗下方；电机通过传动杆和斜齿轮组带动两个滚筒相向转动，使从导料斗落下的酚醛塑料在粉碎缝隙中挤压、剪切以及磨削。

研磨仓的作用是将物料研磨成细小颗粒，以达到工艺要求。研磨仓包括电机、锥形刀片组、多个应变传感器以及温度传感器。锥形刀片组包括锥形内刀具和锥形外刀具。锥形外刀具安装在支撑架上，并沿着锥形外刀具的轴向运动。锥形外刀具的内壁上以环绕锥形外刀具为中心轴设计成多条内刀齿。内刀齿弯曲斜向下，且自上而下的凸出程度逐渐减小。锥形内刀具位于锥形外刀具，并与锥形外刀具同轴安装，同时间隔出一个破碎腔。锥形内刀具的外壁上设计成多条外刀齿，外刀齿弯曲斜向下且自上而下的凸出程度逐渐减小[15]。多个应变传感器、温度传感器安装在锥形外刀具的齿根处，均匀环形分布，用于检测从磨碎缝隙落入研磨腔进行横向剪切和纵向挤压的酚醛塑料的应力与温度。

考虑到研磨过程中会产生高温高压，而高温影响刀齿强度，需要利用研磨仓调节机构采取必要的保护措施。通过锥形外刀具的升降，可以改变锥形内刀具和锥形外刀具的间距，从而实现调节研磨仓内压力和温度的功能。

筛分仓通过风力将达到粒度要求的物料抽取出来，将不合格的颗粒经过筛网落入传送带，利用传送带运送到研磨仓内继续研磨。筛分仓主要由筛网、筛网支架以及抽风机3 个部分组成。

动力传递系统关系到整个设备是否能够正常运转，一般采用V 带传动[16]。通过电动机经V 带将动力传递给刀架上的传动轴，然后传动轴带动刀具开始旋转破碎、剪切以及研磨酚醛塑料。

控制组件部分，通过多个应变传感器和温度传感器来监测酚醛塑料的应力和温度。控制系统在应力或者温度小于设置区间的下限时，通过驱使锥形外刀具上升减小锥形内刀具和锥形外刀具的间距。在应力或温度大于设置区间的上限时，通过驱使锥形外刀具下降增大锥形内刀具和锥形外刀具的间距[17]。此时，物料会通过间隙往外流出，同时带走内部部分热量，从而降低内部温度。

4 设备破碎效果

按照工艺流程，将酚醛塑料从投料口投入，稳定运行后从研磨仓出口取粉料样品。将取料样品按照30～50 目、51～100 目、101～150 目、151～300 目、300 目以上进行筛分，最终共得到5 种粒度的粉料。将5 种样品放在扫描电镜下检测，可清晰看到粉料表面状态的变化趋势。图3 为同一比例尺下粒径的微观形貌观察图。从不同目数微观形貌图中可以看出，随着目数增加，粒度减小，颗粒表面形貌愈发不规则，断面出现越来越多的细碎状突出，增加了其表面粗糙程度，使其能与新料更好地连接。

图3 不同目数的粉末微观形貌

5 结语

在废旧酚醛塑料机械法再生机理的基础上，设计集粉碎、磨碎、研磨、筛分于一体的废旧酚醛塑料破碎回收专用装备，并在关键的研磨工序布置了传感器，实现了对研磨过程的实时监测，提高了设备的安全性和使用寿命，同时实时采集数据，为后续粉碎设备的优化升级提供了有效的数据支撑。此外，通过对不同目数粉料的显微观察，再一次证实了机械法回收的可行性和有效性。后续可针对不同的应用场景和需求，将粉料产品作为填料，对再生样品中新旧粉料的配比进行实验测试，并根据结果对废旧酚醛塑料粉碎回收设备进行系列化的完善升级，使之能够更好地满足产业的绿色发展要求。