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廢料處理,報廢硅橡膠制品為有機硅帶來了哪些好處?

文章出處:廣東帝博科技有限公司 人氣:-發表時間:2018-11-05

  隨著工業生產、交通運輸、城市建筑的發展以及人口密度的增加,噪聲污染、大氣污染、水污染和固體廢棄物的排放問題日益嚴重,已被列為世界四大污染。硅橡膠是一種以硅氧鍵為主鏈的合成橡膠,具有耐高低溫、耐輻射、耐高壓、生理惰性、耐臭氧老化、耐候、高透氣等性能,且對溶劑油和潤滑油等介質表現出優異的化學惰性。我國高溫硅橡膠產量及消費量近年來出現了快速增長, 預計未來五年各領域對高溫硅橡膠的消費保持8%的增長率,到2022年,我國高溫硅橡膠產量將達到70.3萬噸。

 

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近年我國高溫硅橡膠產能及產量情況及預測

 

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近年我國高溫硅橡膠供需情況及產品自給率分析及預測

 

  預計到2022年,我國高溫硅橡膠市場需求量可達67.5萬噸左右。2017年高溫硅橡膠在各領域所占消費比例見圖3。

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  圖3 2017年中國高溫硅橡膠在各領域的消費情況

 

  隨之而來的是,生產中產生的廢次硅橡膠生膠、硫化成型加工中形成的硅膠制品和邊角料以及在應用過程中形成的廢舊硅橡膠制品量迅速增加。按每年 10% 的淘汰率估算,產生的廢舊硅橡膠制品量將超過4萬噸/年,是一個不容忽視的問題。

 

  硅膠廢料主要來源于混煉膠成型硫化過程當中油壓成型后的毛邊,以及硅膠制品報廢產品。廢棄的膠料當中由于添加了不同的輔助用劑,使其各方面性能突出,耐老化,耐氣候等優良性能,幾十年不會自然分解,起初在沒有找到正確的處理方法時,上萬噸的硅膠廢料需要如何處理,一直哭困擾著硅膠制品廠家的發展。

 

  有機硅化合物不能自然分解,因此填埋方式無法分解處理廢舊硅橡膠。而通過燃燒方式將廢舊硅橡膠轉化為白炭黑的工藝能耗巨大。硅橡膠原料價格較高,廢舊硅橡膠的產生與堆積不僅會占用大量廠房、污染環境,還會導致成本上升,對企業造成很大的經濟壓力。因此回收利用廢舊硅橡膠對減少環境污染、提高經濟效益均有重要意義。硅橡膠的回收利用目前主要有物理破碎法和化學裂解法。

 

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  物理破碎法

  物理破碎法是指通過剪切機器、雙輥機、球磨機等設備對廢舊硅橡膠進行物理破碎,經分級篩選后直接作為填料使用,或經改性處理 活化) 后使用的方法。根據溫度和作用方式的不同,物理破碎法又可分為低溫破碎法、捏煉法、磨光法和彈性變形法 4 種,其獲得的粒子表面形態、形狀及大小各不相同。

 

  1、破碎后直接作填料

  硅橡膠具有化學惰性,經簡單的物理破碎后,其顆粒表面的活性官能團較少,很難與新的基膠發生反應。因此該方法制備的產品主要用作橡膠及塑料等的改性填充劑,以達到降低產品成本、動力消耗和改性的目的。物理破碎法制備的硅橡膠顆粒能以任意比例與硅橡膠混煉膠混合。

 

  2、破碎后改性處理

  普通橡膠如天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠等,分子結構為 C—C C—C,其鍵能低、化學活性高、易與硫磺和氧反應,再生處理時較為容易。而硅橡膠的分子結構為 Si—O—Si,其鍵能高、耐熱和耐老化性好、不易被氧化,再生處理時難以用普通橡膠的處理方法進行回收。

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  前蘇聯在上世紀 80 年代便開展了將廢舊硅橡膠先進行物理破碎成顆粒,然后將顆粒用正硅酸四乙酯處理成活性硅橡膠粉,混入新硅橡膠膠料中硫化成制品的研究,發現活化后的硅橡膠粉可改善硫化膠的耐低溫性能、電氣強度及物理機械性能。

 

  我國也開展了對廢舊硅橡膠改性處理的研究,如:吳紹吟等人采用全天候老化降解、有效破碎分級和表面硬脂酸活化處理的方法,將廢硅橡膠加工成具有合適粒度 40 目) 的活性再生硅橡膠膠粉,可作為硅橡膠填料,具有良好的加工性能和補強效果;張衛英等人采用六亞甲基四胺與氯化鐵/氯化亞鐵的混合物對廢舊硅橡膠進行活化改性并作為填料制備三元乙丙橡膠,發現這類活化劑能有效活化廢舊硅橡膠等研究。

 

  02

 

  化學裂解法

  廢舊硅橡膠中聚硅氧烷分子鏈之間雖已發生交聯,但交聯密度不大。通過加入適當的催化劑( 酸、堿、鹽等) 將硅氧硅鏈節裂解,可將廢舊硅橡膠分解成二甲基環硅氧烷混合物 DMC)和小分子鏈狀聚硅氧烷,并可重新應用于硅橡膠生膠制備。上述方法即為化學裂解法,現已成為回收利用廢舊硅橡膠的主要途徑。化學裂解法主要包括堿催化、酸催化、水、熱和超聲波裂解法等。歐美在硅橡膠裂解回收利用方面起步較早,現已形成了一整套技術成熟、管理規范的硅橡膠裂解回收技術。主要集中于高溫熱解、催化熱解、真空熱解回收等。

 

  1、堿催化裂解法

  由于堿和硅橡膠均為固體粉末,常會使用溶劑以提高其接觸效果,這會造成溶劑損耗和環境污染。雖然采用該工藝制得的 DMC 質量較高,設備腐蝕也較小,但仍存在以下幾方面的問題: 一是催化劑消耗量大,生產 1 t 粗 DMC 需消耗 700 ~ 750 kg KOH;二是有較高風險,釜內易發生局部的劇烈反應,可能會引發燃燒和爆炸事故; 三是產物組成復雜,利用困難; 四是適用范圍小,只適用于解聚按鍵類邊角料和模具膠,不適用于玻璃膠。因此,近年來國內有關廠家逐漸放棄該工藝。

 

  2、 酸催化裂解法

  酸催化裂解法是近年來國內廠家普遍采用的工藝,所用催化劑主要為濃硫酸。濃硫酸催化降解法與強堿催化降解法相比,最大的優勢在于安全系數高,發生燃燒、爆炸的可能性小。但該方法仍存在諸多不足,主要有四個方面: 一是對設備的耐腐蝕性要求較高,實際生產中設備更換頻率較高,提高了成本; 二是 DMC 的回收率不穩定,即使對同一種廢舊硅橡膠,其 DMC 回收率的波動范圍可達±15%; 三是 DMC 的回收率較低,對于按鍵類邊角料這種高硅氧烷含量的廢料來說,其 DMC 回收率僅為 40% ~ 50%; 四是大量的酸性廢液、廢渣會造成二次污染,進一步增加了成本。下圖為國內企業所用的濃硫酸催化裂解法的一般工藝流程。

 

  雖然酸催化裂解硅橡膠工藝相比堿催化裂解硅橡膠工藝有了明顯改善。但是,當硅橡膠配方中含有氫氧化鋁、碳酸鈣等堿性物質時,作為催化劑的酸可以與這些堿性物質發生反應,造成催化劑的大量消耗并產生大量副反應殘渣。因此酸作為催化劑能夠處理的硅橡膠種類有限。

 

  3、超聲波裂解法

  高能超聲波法已成功應用到回收硫化硅橡膠中,硅橡膠中的填料對其回收可能性起到了關鍵作用。此法雖不能得到 DMC,但可得到線形低聚二甲基硅氧烷,并能再次用于硅橡膠的生產。S. E. Shim 等人發現超聲波能破壞白炭黑填充的硅橡膠中填料與基質間的強氫鍵,并在附加了高能超聲波的擠出機中進行了硅橡膠的回收。

 

  4、熱裂解法

  熱裂解法反應條件苛刻,能耗較高,副反應多,回收率不高,且反應器體積小,安全性也較低,很難進行大批量生產。但此法也有裂解產物較純、不引入其它化學雜質等優點。目前國內外采用此工藝的廠家極少。

 

  5、水裂解法

  硫化硅橡膠在高壓水蒸氣中,其硅氧硅鍵可被打斷,而解聚成硅氧烷低聚物。特別是在少量堿金屬氫氧化物存在條件下,解聚更易發生。但此法能耗較高,效率很低

 

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  催化裂解法

  物理破碎法工藝簡單,操作簡便且無毒無污染,對設備要求較低,通過選擇合理的再生工藝和加工助劑就能在短時間內實現硅橡膠再生,適合于硅橡膠邊角料的直接利用。但適用范圍有限,且無法實現硅橡膠的多次循環再利用。化學裂解法主要有堿催化裂解法、酸催化裂解法、水裂解法、熱裂解法和超聲波裂解法等。堿催化裂解法產物中 D4的含量偏低,加入溶劑可提高產率,但該方法中加入的溶劑會帶來新的污染,且不適用于脫羧型有機硅密封膠。酸催化裂解法技術成熟、效果好、產物中D4的含量高,但設備腐蝕嚴重、利用率低,廢酸也難以處理,還會與硅橡膠中如氫氧化鋁、碳酸鈣等填料反應,應用范圍受限。而水裂解法、熱裂解法和超聲波裂解法等應用范圍較小,對設備要求高,無法大范圍普及應用。硅氧烷鹵化劑催化裂解法是一種新方法,其能耗低、收率高,具有較為顯著的技術優勢和經濟前景。但由于此法提出的時間較短,相關研究還不夠深入,仍有較大的探索和發展空間,在生產工藝優化、硅氧烷混合環體比例調控、尾氣及廢渣處理等方面還需要進一步開展相關工作,生產工藝標準尚需進一步制定。

 

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  結語

  隨著目前我國有機硅產能的迅猛增長,隨之而來的將會是廢舊硅橡膠數量的劇增。膠原材料與橡膠以及塑膠等材質不同,回收價格是它們的十倍以上,而廢舊原材料的價格也是非常的貴,由于從去年原材料的一直上漲,而硅膠廢料也受到影響,最大時期價格達到了11000元/噸左右,而今年部分地區的均價都在6000-8000左右,不過也是非常高的,自然價格昂貴自然也有它的回收利用價值。通過合理、高效的方法將廢舊硅橡膠制品回收并將其轉化為硅氧烷環體,不僅可以減少硅橡膠對環境的影響,而且可以在很大程度上緩解目前國內對于有機硅上游原材料的嚴重需求,從而實現有機硅行業的綠色可持續發展。


此文關鍵詞:硅膠制品,硅橡膠制品,硅膠制品昌吉

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