废旧塑料片材回收利用技术

杨杰 王克俭

（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心）

引 言

近年来，各类热固性和热塑性塑料不断发展，其主要成分是合成树脂，为了完善材料各方面性能，还在聚合物中添加了增韧剂、稳定剂和润滑剂等辅助材料，甚至还用纤维浸渍增强，大大提高其力学性能。在被加工成片材后，因其多功能性、良好的外观效果、耐磨损性、机械性能高，以及可与其他材料复合使用等优点，被广泛应用塑料包装、农业以及车辆建筑内装饰等领域。其中食品包装是塑料片材最主要的应用市场，几乎占了各类塑料片材总用量的一半；同时由于医疗工具器械、药品等影响，医用包装的是塑料片材的第二大应用市场。

塑料片材主要有单一材料片材、复合片材和可降解塑料片材三种类型。许多塑料片材长期存留在泥土中不易降解，往往只被消费一次就被丢弃，造成了严重的环境污染，对人们生存环境和资源利用产生了巨大压力。国内外对废旧塑料片材的切割、粉碎和回收方法这三方面都做出了大量的研究，并在回收设备的改进和加工方法上都取得了很大的成果，但也有许多问题尚待解决。

1. 塑料片材的切割

在塑料片材加工时，为获得所需规格的型材需裁减去多余的边角，或在许多较大废旧塑料片材被粉碎前需要进行切割，以减小其体积增大粉碎效率。

目前使用的塑料片材切割机通常采用划刀或圆刀盘，通过动刀与定刀相互作用实现对塑料片材切条或切块。但在切割机使用过程中也存在没有加紧装置，不能自动送料，导向性差，不能准确定位等问题，为此人们对常用片材切割机上装置进行了大量改进。

1.1 专用塑料片材切割机的改进

1.1.1 导向压紧装置的改进

大多数传统的塑料片材切割装置只是简单的对废旧片材进行裁剪，没有设置压紧机构和导向机构，导致在切割过程中片材位置会发生偏移，不能根据所需轨迹规则的切下片材，从而影响了切割的精度和片材性能。苏州清之绿新材料有限公司对压紧机构进行合理的创新，压紧机构安装在支撑面板的顶面，通过调整压轮上下的位置，能适应不同厚度与硬度的塑料片材切割。同时在原有的基础上创新了导向机构，并且能够同时调节导向块和压轮的水平度与垂直度，可以相当精确引导塑料片材的切割[1]。

1.1.2 自动送料装置的改进

许多塑料切割机拥有横切和纵切两重刀，既可以被纵切刀切成条，又可以被横切刀被切成粒，但不能自动的送料，需要额外施加压力。这种塑料切割装置在切割时物料容易走歪，进料的压力过大或过小都可能引起切条后下落位置偏移，工作效率低，影响切粒质量。潘小敏[2]创新设计的塑料片材切粒机，可通过进料辊与纵切辊相互作用促使被切割的塑料片材以一定速度自动进料，切出的料条与料粒形状大小均匀，而且被切后料粒通过出料口进入出料漏斗收集，促使废旧塑料回收更加方便。

1.1.3 刀具夹持装置的改进

多数塑料片材切割机刀具都是固定在夹持装置上，更换不方便，在使用一段时间后磨损严重，分切后的片材毛屑较多，切口边缘不平整，出现翘边现象，进而导致材料的浪费。吴中心[3]创新设计了新型刀具和夹持装置，结构简单，不需要停机就可实现刀具快速更换，并且刀具的宽幅可以快速精确的调整，减少了材料的浪费。

1.2 传统锯切

锯切是利用边缘带有锯齿的刀具或薄片砂轮等工具，对工件进行切割或切出狭槽。如图 1，根据所用刀具形式可分为弓锯切、圆锯切和带锯切等[4]。各锯切都有自己的优缺点，可根据材料的种类选择使用，切割面上不会产生相应的化学变化，较好地保护了塑料片材的原始性能。

现阶段对于玻璃纤维增强热固性塑料片材，通常采用弓锯或圆锯进行切割；热塑性塑料片材也是采用弓锯或圆锯切割，但操作时须要加冷却剂。但现在的各类锯切精度不高，在未来发展中可与更多功能的设备结合使用以实现复合功能锯床，同时向全数控化、网络化锯床迈进，进一步提高加工精准度。

图1 弓锯、圆锯和带锯

1.3 超薄电镀金刚石砂轮切割

采用超薄电镀金刚石砂轮切割片作为刀具，通过高速划片机床进行切割，可获得精准的切割深度和较好的端面。电镀金刚石砂轮片切割切口质量高，非常适合碳、玻璃和硼等硬质磨料纤维增强复合材料片材的深窄缝切割[5]。受力简图如图 2，国内已研制了一种碳纤维复合材料金刚石砂轮切割机，取得了良好的切割效果，并已被中国商用飞机公司的正式验收。但此种切割一般只适合直边或圆形等简单形状的片材切割，且切口边缘附近产生的分层、撕裂、毛刺等问题，仍需大量的研究使其切割性能更完善。

图2 砂轮切割受力模型[5]

1.4 超高压磨料水射切割

切割时先在水中混入磨料（如石英砂、金刚砂等），磨料水经过喷嘴从高压低速转化为低压高速冲击到物料表面，通过水射流的冲击作用、动压力作用、脉冲负荷引起的疲劳破坏作用以及水楔作用破坏物料，达到切割效果[6]。其加工系统原理如图3。

作为一种清洁高效的冷态切割技术，切割塑料片材时无热效应，能有效地完成对许多纤维增强塑料片材的切割。国内已经具备了生产高压磨料水射流切割机床的能力，如南京大地水刀，奥拓福水刀，上海希美腾水刀等厂家所开发的高压水射流机床产品已经日趋成熟。

然而，对许多材料加工机理研究并不成熟，特别是遇水易溶或发生反应的材料，使磨料水射流加工的应用受到制约。

图3 超高压磨料水射流加工系统简图

1.5 水下激光切割

在水下一定深度，将方向性和集聚性特强的单色光射到废旧塑料片材的指定位置，并按一定的速度移动，因吸收激光能而受热急剧升温，通过汽化蒸发和熔融溅出使材料去除，从而完成切割过程，激光切割原理如图4。

图4 激光切割原理简图[8]

用水做冷却剂对，既可以利用激光加工高效快速的特点，又能够有效减小激光对材料的热损伤。对切割纤维复合材料、通用热塑性塑料和特种工程塑料等制成的塑料片材比较适宜。花银群等[7]在水下10厘米处，用氮气为辅助气体切割碳纤维复合材料，与在空气中激光切割相比，极大地降低了对纤维和树脂的热损伤效应。但水下切割需要较大的电功率，功率不足可能会导致切割不透或切缝太窄等问题。

2. 塑料片材的粉碎

塑料的粉碎过程是塑料断裂的过程，即塑料与运动的刀具之间受一定的压力和剪切力作用后，达到塑料的剪切强度极限时便被粉碎，或塑料彼此之间摩擦时的剪切、磨削作用使物料粉碎。实际中各类塑料片材的力学性能相差很大，断裂机理也不同，需要不同类型的塑料粉碎机来粉碎。

2.1 强力塑料粉碎机

根据粉碎对象不同，塑料粉碎机大致可分为三类，其特点与应用范围如表1所示。

表1 塑料粉碎机

强力塑料粉碎机是一种通用型塑料粉碎机，有粉碎效率高和工作性能稳定，粉碎的物料较均匀等特点，造粒后可直接用于挤出成型和注塑成型。其对废旧塑料片材粉碎时采用硬质合金钢片刀，电源有过载保护装置，操作安全，可对各类塑料片材的切割。郑效东等[9]创新设计一种新塑料片材粉碎回收机，通过滚刀与定刀相对旋转运动产生剪切力，将大段片材废膜进行切碎，利于废料的重复利用，降低了生产成本。但在粉碎超硬塑料片材时，也存在刀具容易折断，粉碎力不够等问题，还需进一步完善。

2.2 双辊式粉碎机

双辊式粉碎机又叫对辊式粉碎机，三维简图如图5所示，主要工作部件为两轴线平行的齿辊，并且沿齿辊轴线方向交错布置一定数量的刀盘与轴套。在电动的机的带动下，两齿辊沿相反方向旋转，当物料进入两齿辊后，高硬度材料的刀盘交错转动将物料剪切、撕裂和挤压，使得物料被劈裂和粉碎成低于设定尺寸，最后被强制排除机外的过程[10]。

双辊式粉碎机可用于各类塑料片材的粉碎，可通过调整刀盘上刀的齿数、刀盘的排布（直线型或螺旋型）、刀盘与轴套的啮合间隙等参数，以获得不同粒度的塑料片材。但双辊式粉碎机粉碎纤维增强塑料片材时，容易破坏纤维的力学性能，导致回收效率低，还需进一步完善。

图5 双辊式粉碎机三维简图

3. 回收再利用

3.1 物理回收再利用

物理回收再利用方法指利用机械设备对废旧塑料片材颗粒重新熔化进行造粒或直接加工成新的塑料制品。实现了塑料片材的循环有效利用，是塑料回收的首选方法。根据实际需要，物理回收一般可分为简单回收和改性回收两类。

3.1.1 简单回收

简单回收是不改变废旧塑料片材原有的性质，通过一些机械设备将废旧塑料片材经过切割粉碎等过程后直接加工成型或通过造粒后加工成型。简单回收技术已较成熟，但要想对回收的塑料片材回收利用效率高，前提是尽可能成分单一，老化程度低，性能和最初相差不大。蔡建伟[11]创新一种塑料片材制杯在线粉碎一体机，具有在线边料粉碎回收功能，实现片材边料在线循环再利用，节约成本，并且避免片材边料的污染。

3.1.2 改性回收

改性回收是在简单回收原理的基础上，采用物理或化学的方法对废旧塑料片材进行改性，从而达到再利用的要求。废旧塑料片材一般可通过填充、共混、增强、增韧以及化学等方法进行改性处理，可用于制作档次较高的产品。

国外对此项技术研究较早，已相对成熟，如美国可口可乐公司与资源回收公司共同研发出一套对塑料水瓶循环回收再利用装置，可实现对生产的食品级聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料片材进行重新利用。在国内，虽然此技术开发的较晚，但也取得了一定的成果，王清华等[12]创新了一种新的废旧聚苯乙烯片材的回收利用方法，加入了增韧剂、塑化剂和色母料等进行改性，降低了成本，还解决了环保问题。

3.2 化学回收再利用

化学回收再利用是先破坏废旧塑料片材的分子链，使其分解成具有活性的单体或低聚合物和其他化学物质后，经分离挑选，再加以利用的塑料回收法。化学回收方法可以更好地减少废旧塑料片材对环境的污染，也可以弥补物理回收法的不足，回收利用率高。因为降解剂的种类和降解条件不同，各种分解方法各具特色，但原理都大致相同，可根据片材的性质选择使用。本文针对常见的热解法、水解法、醇解法进行综述。

3.2.1 热解法

热解法一般通过加热升温，使废旧塑料片材在惰性气体或者空气中被分解，之后将分解物中的颗粒杂质及纤维等填料分离出[13]。目前，热解法主要可分为高温热解、微波辅助热解和流化床辅助热解等[14]，对纤维增强塑料片材回收时各自优缺点如表2。

作为传统的废旧物处理办法，热解技术已经是一种较为成熟的工艺，对一些较难回收的热固性塑料片材回收微波辅助热解法和流化床辅助热解较为适用。

表2 热解法优缺点比较

其优点是产生的污染排放低，且在热解过程中能获得一部分能源，可以提高能源的回收利用率。但热分解也存在一些缺点，如较高温度下原料易发生分解变性，且与氧等反应。

3.2.2 水解法

水解法是指在一定温度下，不同 pH水溶液中将废旧塑料片材分解成单体或低聚物等过程。按PH大小不同可分为酸性水解法、碱性水解法和中性水解法。随着热塑性塑料行业的发展，水解法日益受到重视，可用于各类塑料片材的分解回收。但与其他分解方法相比，水解过程较为缓慢，且分解物的提纯困难，需多次蒸馏，成本高。

3.2.3 醇解法

废旧塑料片材可在高温、高压条件下于各类醇中解聚的过程，常见的有甲醇分解、乙二醇分解、异辛醇分解等，成本低、工艺简单易控制和对原料腐蚀性较小。Chen Chenho等[15]采用乙二醇醇解回收PET饮料瓶，在一定条件下，醇解率达到了 100%。但醇在高温下挥发的快，且分解后的部分树脂提纯难度大，这些问题还需进一步完善。

结 论

随着塑料工业的发展，人们对废旧塑料片材和加工过程中边角料片材回收再利用的研究越来越多。现阶段，对各类废旧塑料片材的切割、粉碎、回收再利用等一系列过程都研发了许多的机械设备和方法，能够实现废旧塑料片材在线一体化回收，不仅可以解决环境污染问题，还可实现资源的高效和循环利用，是塑料行业持续发展的必由路。但现有的设备和方法用来回收塑料片材存在诸多不足，直接针对塑料片材的回收还研究较少，而且不同材料的塑料片材性质也不同，对设备和方法有着不同得要求，还需进一步的完善。