СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ИЗ ВСПЕНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ
METHOD AND APPARATUS FOR RECYCLING FOAM POLYMER WASTE

Исследуемое техническое решение относится к области обработки веществ, а именно к способам и устройствам переработки отходов из вспененных полимеров и может быть использовано в том числе для переработки отходов из сополимера этилена с винилацетатом [B29B11/12, B29B13/10, B29B17/04, B29B7/34, B29B7/38, B29B7/40, B29C43/00, B29C43/02].
Из уровня техники известен СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПЛАСТИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСТРУДЕРА [JPH10230520 (A), опубл.: 02.09.1998], характеризующийся измельчением переработанного сшитого полиэтилена и превращение сшитого полиэтилена в молотый продукт, в котором соотношение переработанного сшитого полиэтилена в смеси с основным материалом продукта, который должен быть изготовлен, например, с полиолефином, составляет менее 30%, переработанный пластиковый материал смешивают определенным образом и подают через экструдер, в котором переработанный сшитый полиэтилен ориентирован так, что порошок ориентирован для измельчения переработанного сшитого полиэтилена. Устройство содержит дробилку включающей, по меньшей мере, один статор и, по меньшей мере, один вращающийся ротор, при этом в области подачи сырья лицевые поверхности статора и ротора образуют конический зазор.
Недостатком аналога является необходимость использования дополнительных ингредиентов для переработки материалов, при этом с использованием указанного способа затруднительна переработка вспененных пластиковых материалов.
Также известен СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННО-ПЛАСТИКОВОГО КОМПОЗИТНОГО ПОЛА [CN108215110 (A), опубл.: 29.06.2018], который включает в себя следующие этапы: 1) каменно-пластиковый композитный пол шлифуется, очищается от пыли, измельчается и просеивается для получения отходов каменно-пластикового порошка; 2) качество соотношение 90-95% отходов, 4-8% порошка ПВХ и порошка смолы и 1-2% высокотемпературного смешивающего состава, смешивание в низкоскоростном смесителе для получения низкотемпературной композиции; 3) смешивание материалов с помощью двойного конического шнека и прессования, водяного охлаждения, воздушной сушки, выдавливании, резки, шлифования и полировки для получения восстановленной каменно-пластиковой композитной плиты.
Недостатком аналога является высокая трудоемкость переработки материал, обусловленная трудоемкими операциями и необходимость использования дополнительных ингредиентов для переработки материала.
Известен СПОСОБ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВСПЕНЕННОГО МАТЕРИАЛА  [US2008111263 (A1), опубл.: 15.05.2008], включающий следующие этапы: дробление отходов на более мелкие куски блоками и партиями с использованием измельчающей машины; разрушение измельченного блока отходов в машину с винтовым стержнем для  разрушения молекулярной структуры блока отходов; измельчение блока отходов в порошок с помощью шлифовальной машины для увеличения общей площади поверхности отходов; а также активирование порошка с добавлением в них вспенивающего материала, так что порошок вступают в реакцию с вспенивающимся материалом с образованием активного вспенивающегося материала.
Недостатком аналога является необходимость использования дополнительного ингредиента в виде вспенивающего материала.
Наиболее близки по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТВЕРДОФАЗНОГО СДВИГОВОГО ЭКСТРУЗИОННОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ [RU 97120240 A, опубл.: 10.11.1999], содержащее продолговатый пустотелый корпус, имеющий зону загрузки, зону нагрева рядом с зоной загрузки, зону образования порошка рядом с зоной нагрева, и зону выпуска порошка рядом с зоной образования порошка, по крайней мере, один шнек, размещенный внутри продолговатого пустотелого корпуса, средства загрузки, предназначенные для подачи полимерного материала в зону загрузки, средства регулирования температуры, предназначенные для нагрева полимерного материала в зоне нагрева до температуры ниже температуры его разложения, и средства создания высоких сдвиговых фрикционных напряжений, предназначенные для приложения нормальных и сдвиговых усилий, достаточных для образования порошка в зоне образования порошка, отличающееся тем, что оно включает средства регулирования температуры, предназначенные для поддержания температуры полимерного материала в зоне образования порошка выше температуры его стеклования, но ниже температуры его плавления.
Основной технической проблемой прототипа является низкая надежность, обусловленная конструктивными особенностями устройства, а именно применением дополнительных средств охлаждения шнека и псвевдожижения. Кроме того, конструкция устройства и реализуемые технологические операции по измельчению исходного материала (сырья) не обеспечивают полный цикл переработки полимерных отходов, в том числе из вспененных полимеров. Это обусловлено отсутствием операций по предварительной подготовке сырья для переработки, включающие грубое измельчение сырья и отделение посторонних примесей, в том числе излишней влаги, что в конечном счете влияет на качество получаемого продукта. Малое соотношение длин участка высокого сдвига и шнека существенно снижает производительность устройства, а при попытке ее увеличения приводит к повышению неоднородности получаемого продукта.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности переработки отходов из вспененных полимеров в продукт с высокой однородностью состава.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ переработки отходов из вспененных полимеров, характеризующийся тем, что перерабатываемое сырье измельчают, подвергают одновременному нагреву и воздействию сдвиговым напряжением, отличающийся тем, что перед измельчением от сырья в виде отходов из вспененных полимеров, содержащих этиленвинилацетат, отделяют материалы, не являющихся полимерами или иными синтетическими материалами, после измельчения грубую крошку подают на ячеистую сетку загрузочного бункера гранулятора, которая обеспечивает дозированную подачу измельченного крошки на шнек гранулятора, при этом при подаче измельченного сырья удаляют металлические элементы, присутствовавшие в исходном сырье и оставшиеся в грубой крошке после измельчения, а высокотемпературное сдвиговое измельчение сырья осуществляют постепенным увеличением напряжения сдвига, но не менее, чем в два раза относительно исходного значения при нагреве сырья не выше температуры плавления, но не ниже 100°C с возможностью удаления из измельченного сырья излишней влаги, измельченное в крошку сырье перемешивают, выгружают в пресс-форму и подвергают прессованию.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для реализации способа для переработки отходов из вспененных полимеров, содержащее корпус, шнек, зоны загрузки, нагрева и выгрузки, нагреватели, средства регулирования температуры, отличающееся тем, что дополнительно содержит измельчитель исходного сырья в грубую крошку, конвейер подачи переработанного сырья, пресс с пресс-формами и модуль управления, внутри корпуса коаксиально смонтирован, как минимум, один шнек, стержень которого выполнен конусообразным, с увеличивающимся от зоны загрузки диаметром с возможностью изменения сдвигового напряжения, в зоне загрузки выполнен бункер загрузки, соединенный с измельчителем, с возможностью дозирования сырья нижняя часть бункера загрузки выполнена сужающейся к низу, а внутри бункера загрузки смонтирована решетка, под которой смонтирован, как минимум, один магнит с возможностью улавливания металлических примесей в сырье, в нижней части корпуса в зоне загрузки выполнено дренажное отверстие для удаления влаги из корпуса, нагреватели образуют, как минимум, два контура нагрева вокруг корпуса, каждый из контуров снабжен температурными датчиками, соединенными со средствами регулирования температуры, смонтированных в модуле управления, к модулю управления подключены привод измельчителя и шнека.
В частности, корпус смонтирован на опорной платформе.
В частности, привод шнека выполнен в виде мотор-редуктора.
В частности, нагреватели выполнены футерованными.
В частности, средства регулирования температуры выполнены в виде контроллеров.
В частности, средства регулирования температуры выполнены в виде ПИД-регуляторов.
В частности, магнит выполнен в виде постоянного магнита.
В частности, магнит выполнен в виде электромагнита.
В частности, конвейер выполнен раздвижным.
В частности, над корпусом в зоне выгрузки смонтирован вытяжной зонт.
В частности, измельчитель выполнен, как минимум, одновалковым.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан вид сбоку устройства для переработки отходов из вспененных полимеров.
На фиг.2 показано схематичное изображение устройства для переработки отходов из вспененных полимеров.
На фиг.3 показан алгоритм переработки отходов из вспененных полимеров.
На фигурах обозначено: 1 – измельчитель, 2 – вытяжной зонт, 3 – конвейер, 4 – опорная платформа, 5 – корпус, 6 – редуктор, 7 – двигатель, 8 – шнек, 9 – подшипник, 10 – выходной вал, 11 – передача, 12 – опоры, 13 – нагревательные элементы, 14 – футеровка, 15 – датчики температуры, 16 – загрузочный бункер, 17 – ячеистая сетка, 18 – магниты, 19 – лоток, 20 – стойки-опоры, 21 – блок реле, 22 – модуль управления, 23 – контроллеры, 24 – очистка сырья, 25 – измельчение сырья, 26 – дозированная подача, 27 – удаление металлических примесей, 28 – нагрев, 29 – удаление влаги, 30 – воздействие напряжением сдвига, 31 – поддержание температуры, 32 – выгрузка в пресс-форму, 33 - прессование.
Осуществление изобретения
Устройство для переработки отходов из вспененных полимеров содержит гранулятор, измельчитель 1 (см. Фиг.1), вытяжной зонт 2, конвейер 3, пресс (на фигурах не показан) и модуль управления 22.
Гранулятор содержит опорную платформу 4, на которой смонтирован цилиндрический корпус 5, редуктор 6 и двигатель 7. Внутри корпуса 5 гранулятора коаксиально смонтирован конусообразный шнек 8. Начальный конец шнека 8 выполнен упорным и смонтирован на подшипнике качения 9, смонтированном с торца питательной части корпуса 5 и соединен с выходным валом 10 редуктора 6. Входной вал редуктора 6, соединен передачей 11, например, ременной, с двигателем 7, выполненным, например, в виде асинхронного электрического двигателя. Снизу в питательной части корпуса 5 выполнено дренажное отверстие (на фигурах не показано) для удаления влаги из сырья.
Корпус 5 смонтирован на опорной платформе 4 на опорах 12.
Редуктор 5 и двигатель 6 смонтированы на опорной платформе 4 гранулятора.
Вокруг питательной, центральной и выгрузной частей корпуса 5 гранулятора, образуя одноименные зоны нагрева, смонтированы нагревательные элементы 13, выполненные в виде керамических, спиральных и т.д. нагревателей. Сверху, вокруг нагревательных элементов 13 смонтирована футеровка 14. В каждой из зон нагрева в футеровке 14 выполнены отверстия, в которые смонтированы датчики температуры 15.
Сверху в питательной части корпуса 5 выполнено отверстие, к которому смонтирован загрузочный бункер 16, стенки которого выполнены наклонными к упомянутому отверстию. В центральной части загрузочного бункера 16 смонтирована съемная ячеистая сетка 17 с возможностью обеспечения дозированной подачи материала. Под ячеистой сеткой 17 смонтирован, как минимум, один магнит 18 с возможностью улавливания металлических примесей.
С торца выгрузной части корпуса 5 к опорной платформе 4 гранулятора смонтирован конвейер 3, выполненный, например, в виде раздвижного конвейера.
Над выгрузной частью корпуса 5 смонтирован вытяжной зонт 2 со встроенным в выходном отверстии канальным вентилятором (на фигурах не показан).
На опорной платформе 4 гранулятора смонтирован измельчитель 1, выполненный, как минимум, одновалковым. Выгрузное отверстие измельчитель 1 соединено лотком 19 с загрузочным бункером 16.
Вытяжной зонт 2 и измельчитель 1 смонтированы на стойках-опорах 20.
Измельчитель 1, канальный вентилятор вытяжного зонта 2 и двигатель 6 подключены к блоку реле 21 (см. Фиг.2) модуля управления 22. Датчики температуры 15 соединены с контроллерами 23 модуля управления 22.
Переработку отходов из вспененных полимеров осуществляют следующим образом.
В качестве сырья для переработки используют различные изделия из вспененных полимеров (сополимеров), в том числе, содержащих и этиленвинилацетат, полученный в результате сополимеризации этилена и мономера винилацетата.
Предварительно сырье для переработки очищают от грязи и крупных вставок 24 (см. Фиг.3), не являющихся полимерами. С модуля управления 22 включают измельчитель 1, канальный вентилятор вытяжного зонта 2, двигатель 7. На контроллерах 23 устанавливают температуру нагрева питательной, центральной и выгрузной зон нагрева величиной ниже температуры плавления сырья, но выше температуры его стеклования, в случае с этиленвинилацетатом – от 140 до 420 градусов Цельсия и включают нагревательные элементы 13. Подготовленное сырье для переработки подают в измельчитель 1, где его измельчают 25 в грубую крошку, размером фракций не более 20 мм. После измельчения 25 грубую крошку по лотку 19 подают на ячеистую сетку 17 загрузочного бункера 16 гранулятора, которая обеспечивает дозированную подачу 26 измельченного крошки на шнек 8 гранулятора, при этом ячейки упомянутой сетки 17 выполнены размерами больше размера фракции измельченной крошки на выходе измельчитель 1. При прохождении крошки через загрузочный бункер 16 удаляют металлические элементы 27, присутствовавшие в исходных изделиях и оставшиеся после измельчения, ферромагнитными элементами 18.
Далее крошку подают на шнек 8 и подвергают одновременному нагреву и воздействию напряжения сдвига и давления, в результате чего крошка нагревается, при этом переработку осуществляют, как минимум, в 3 этапа, обеспечивающих высокотемпературное сдвиговое измельчение резиновой крошки.
2
На первом этапе крошку нагревают 28 до температуры от комнатной до 140 градусов Цельсия, удаляют из нее лишнюю влагу 29, при этом часть влаги 29 испаряют, а часть выводят через дренажное отверстие в питательной части корпуса 5. На крошку, перемещающуюся внутри корпуса 5 между гребнями шнека 8 воздействуют напряжением сдвига 30 не менее 30 Н/мм. Шнеком 8 перемешивают и перемещают крошку в зону второго этапа.
2
На втором этапе крошку нагревают 28 до температуры от 140 до 420 градусов Цельсия и воздействуют напряжение сдвига 30 от 30 до 45 Н/мм путем постепенного увеличения диаметра стержня шнека 8. Перемешивают и перемещают крошку в зону третьего этапа.
2
2
На третьем этапе поддерживают температуру 31 крошки на заданной в 420 градусов Цельсия температуре и воздействуют напряжением сдвига от 45 до 70 Н/мм путем постепенного увеличения диаметра стержня шнека 8. Полученную на третьем этапе крошку фракцией не более 5 мм, перемешивают и перемещают к выходу выгрузной части корпуса 5, выгружают в пресс-форму 32. Пресс-форму с крошкой подают на пресс, где прессованием 33 давлением от 12 тонн на см получают окончательный продукт.
Окончательный продукт выполняют в виде плит различной формы и размеров, в том числе с возможностью замкового соединения между собой, различных изделий, выполненных методом прессования.
Технический результат изобретения – обеспечение возможности переработки отходов из вспененных полимеров в продукт с высокой однородностью состава достигается за счет последовательности операций по первичной подготовке перерабатываемых отходов из вспененных полимеров путем грубого измельчения сырья 25 в измельчителе 1 сырья, предварительно очищенного 24 от материалов, не являющихся полимерами или иными синтетическими материалами, исключающее крупные включения в конечном продукте, дозированной подаче 26 измельченного сырья с учетом скорости вращения и размеров шнека 8 через ячеистую сетку 17, смонтированной в сужающемся к низу загрузочном бункере 16, дополнительном удалении с помощью ферромагнитных элементов 18 из измельченного сырья металлических примесей 27, присутствовавших в исходном сырье и постепенном по всей длине корпуса 5 нагреве 28 с помощью нагревательных элементов 13, подключенных к контроллерам 23 с возможностью регулирования температуры в процессе измельчения и измельчения сырья воздействием напряжением сдвига 30 шнеком 8, стержень которого выполнен конусообразным, с увеличивающимся от зоны загрузки диаметром с одновременным удалением из измельчаемого сырья излишней влаги 29 через дренажное отверстие, выполненном в нижней части корпуса 5 в зоне загрузки с последующей выгрузкой 32 измельченного сырья в пресс-форму и прессованием 33.
Таким образом, используя описанную последовательность технологических операций и режимы работы устройства получают однородную по составу, без включения инородных примесей, измельченную крошку с высокими в нагретом состоянии связующими свойствами, обусловленными отсутствием излишней влаги в конечном продукте.
Достижение технического результата было подтверждено практически с помощью изготовленного в 2019 году согласно описанию устройства переработки отходов из вспененных полимеров. Кроме того, лабораторные исследования плитки, полученной описанным способом, показали отсутствие ядовитых соединений в заметных количествах, что обеспечивает экологическую безопасность при использовании изделий в жизнедеятельности человека.