廢聚乙烯塑料膜再生利用直接制膜工藝研究

何秀院，呂永康，任守仁，王 銳，何 敏

（1.太原理工大學,山西太原030024；2.稷山縣科潔塑料應用有限公司,山西稷山043200）

廢聚乙烯塑料膜再生利用直接制膜工藝研究

何秀院1，呂永康1，任守仁2，王 銳1，何 敏1

（1.太原理工大學,山西太原030024；2.稷山縣科潔塑料應用有限公司,山西稷山043200）

介紹了廢聚乙烯塑料膜及制品的循環(huán)再生利用技術。原料100%采用廢聚乙烯塑料膜；不需造粒、熔粒，直接一次熔融制成新塑料膜；再生的農用地膜和包裝膜經權威部門檢驗測試，各項質量技術指標均達到或超過國家標準，少部分指標超國標5倍以上。由于減少了工序，節(jié)約了能源，降低了成本，徹底突破了傳統(tǒng)工藝在廢聚乙烯塑料膜再生利用過程中，只能添加10%廢料的約束；解決了必須經過造粒、二次熔融才能成膜的技術難題。其生產工藝獨特、新穎，無“三廢”產生。為節(jié)約資源、節(jié)約能源、循環(huán)經濟、綜合利用、減少污染、保護環(huán)境，創(chuàng)出了一條全新的技術途徑。

廢聚乙烯塑料膜；一次熔融；再生利用；新工藝

據(jù)《科技日報》2007年4月24日報道，全世界每年有超過500億只廢塑料袋四處流散，其中只有3%被回收。僅北京市每年消耗塑料袋近100億只，上海則每年使用塑料袋24萬t。近年來，我國每年產生上千萬噸的廢舊聚乙烯塑料，其主要分布在：（1）各大城市的垃圾填埋場；（2）城鄉(xiāng)廢品收購站；（3）田間地頭；（4）大部分廠礦企業(yè)的產品包裝廢棄內袋。隨著經濟和工農業(yè)的發(fā)展，廢舊聚乙烯產出量以9.6%以上的速度遞增。如何變廢為寶、化害為利，充分利用這一放錯地方的資源，并節(jié)約政府在治理這一白色污染中所造成的人力、物力、資源的消耗，便成了當務之急。

1 廢聚乙烯塑料膜處理與再生利用現(xiàn)狀

目前，國內外比較成熟的技術是把污染少的聚乙烯塑料膜、塑料袋清洗粉碎后第一次熔融造粒，然后再經過第二次熔融成膜再生利用。世界發(fā)達國家對廢舊塑料膜的處理方法大體為：回收加工造粒后，再添加大量的新料二次熔融制膜；焚燒發(fā)電；填埋等幾種方式。再生利用的主要設備為破碎機、洗滌和脫水分離裝置、擠出造粒機等[1]。我國對廢舊塑料膜的處理方法主要是焚燒和填埋，在回收利用廢塑料膜方面起步較晚，技術尚不完善，現(xiàn)有的薄膜回收生產線，通常采用人工挑選分類—粉碎—清洗—干燥—捏合—塑化—造粒的工序，所用設備有粉碎機、輸送機、清洗機、干燥機、捏合機、擠出機、造粒機等，存在著浪費資源、能源、污染環(huán)境、經濟效益低下等問題。焚燒法處理對焚燒爐要求較高，而且廢塑料膜在焚燒過程中會產生大量的有毒有害氣體，對大氣環(huán)境造成二次污染；填埋法存在占用空間大、難以降解、污染土地和水資源等缺點[1]；現(xiàn)有的回收造粒再利用技術，以90%的新聚乙烯為原料，只能添加10%的少量廢料，且必須經過二次熔融才能制成產品。而通過二次熔融后分子結構鏈縮短，強度和拉力等性能大幅度降低，生產出的塑料膜產品質量指標大幅下降，達不到使用要求，并且費用大、成本高、附加值低、利潤低，回收利用價值不大，存在不易規(guī)模化和產業(yè)化的問題。因此，綜合利用廢舊塑料膜，防治白色污染已成為當今世界各國科學研究和科技開發(fā)的熱點。

2 廢聚乙烯塑料膜一次熔融直接制膜工藝

2.1 技術原理

將廢塑料膜經預處理，除去有機雜質，粉碎水洗后成為平均片徑不大于8 mm的廢膜片，經甩干后加入A，B，C，D 4種添加劑（交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、成核劑和自制催化劑），以改善物料在吹塑機中的理化性能與狀態(tài)，借助具有“一松一緊”螺紋結構的螺桿（松緊螺桿）擠壓成形，使廢膜片一次熔融成型，產品性能指標大幅度提高[2]。

工藝技術方案包括：廢膜料預處理、粗粉碎水洗、細粉碎水洗、甩干、投放添加劑、攪拌、烘干、進料擠壓、熔融、吹塑成型、制膜產品等工序。添加劑與廢膜料的質量配比為0.5‰～1.2‰ ∶998.8‰～999.5‰，添加劑由碳酸氫鈉、粉狀低壓聚乙烯、粉狀聚丙烯和復合助劑按下列的質量配比構成：碳酸氫鈉∶粉狀低壓聚乙烯∶粉狀聚丙烯∶復合助劑=0.8-1.2∶1.0-1.4∶0.8-1.2：2.7-3.3，其中復合助劑由交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、成核劑、開口劑按下列質量配比構成：交聯(lián)劑∶偶聯(lián)劑∶成核劑∶開口劑=11±10%∶7±10%∶3±10%∶6±10%，塑料成膜采用配置有專用松緊螺桿的成膜擠出機[2]。

2.2 松緊螺桿

成膜專用擠出機的松緊螺桿結構。

加料段：將普通螺桿的單螺紋改為雙頭螺紋，并改變其斷面形狀，形成斜推進擠壓。結果表明，這種結構不僅起到普通螺桿對物料的輔送和排氣作用（結合添加劑A），而且使廢膜片間的余微量氣體全部排出，使產品密實無氣泡。熔融段（壓縮段）：同樣采用雙頭螺紋結構，逐步調整壓縮段的壓縮比（結合添加劑B、C），使物料擠出平穩(wěn)。均化段（計量段）：研究人員將均化段分為3個分段，每分段結構均由螺距相等的三頭螺紋組成，順著物料擠出方向規(guī)律變換螺糟深度（結合添加劑D）。產出的塑料膜產品各項性能指標非常理想。

2.3 添加劑

添加劑分為A，B，C，D 4種，在攪拌烘干時一次性加入，分析認為各添加劑分別在加料段、熔融段、均化段發(fā)揮不同作用。

2.4 工藝流程

廢聚乙烯膜料一次熔融成膜工藝技術路線及清潔生產工藝流程如圖1所示。

2.5 原料與設備

全部使用廢聚乙烯塑料膜做原料，添加0.08%～0.1%的交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、成核劑和自制催化劑。

成膜擠出機松緊螺桿結構示意圖如圖1。沿物料擠出方向分成加料段JL、熔融段RR、均化段JH、加料段JL和熔融段RR，設置為具有直角三角形螺紋斷面的雙頭螺紋，均化段JH設置螺距相等的三頭螺紋，并且順著物料擠出方向，三頭螺紋中的各螺紋的螺槽深度有由淺漸深、由深漸淺的間隔變化（如第一螺紋的螺槽深度為由淺漸深，第二螺紋的螺槽深度就為由深漸淺，第三螺紋的螺槽深度又為由淺漸深），均化段JH分為等長的三分段，分段間有段間間隔槽，間隔槽的槽深 2～4 mm，槽寬 8～14 mm[2]。加料段 JL、熔融段 RR 和均化段JH各占螺桿上螺紋總長度（如圖2所示a點到d點）的1/3。此種長度比例為最優(yōu)比例，有利于產品品質的進一步提高。熔融段RR沿物料擠出方向螺桿的公稱直徑漸次加大，其一端（b端）與另一端（c端）的直徑之比為 1.8～2.2：2.9～3.6。加料段 JL 和熔融段RR 的雙頭螺紋的螺槽深3～11 mm，螺距45～70 mm。

綜上所述，設備的關鍵部件——松緊螺桿、添加劑、綜合參數(shù)三要素有機結合，實現(xiàn)了一次熔融成膜技術。

3 新工藝技術的創(chuàng)新性

（1）在原料使用上取得了重大突破。目前常規(guī)使用的工藝技術，是用90%的新聚乙烯塑料膜為原料，添加10%的廢舊聚乙烯塑料膜；本工藝技術采用100%廢舊聚乙烯塑料膜為原料再生產品，突破了現(xiàn)有相關技術（經二次熔融）只能添加少部分廢膜的局限性。

（2）目前常規(guī)使用的工藝技術，是二次熔融成膜，第一次先將廢舊聚乙烯塑料膜熔融制成顆粒原料；第二次再將顆粒原料熔融制成產品。本工藝發(fā)明了“不經造粒、一次熔融、直接成膜”的工藝技術。

（3）提高產品質量。一次熔融直接成膜的產品，經山西省塑料產品質量監(jiān)督檢驗站檢驗，各項指標均達到國標要求[3]；而常規(guī)技術經過二次熔融后，造成兩次降解，強度和拉力等性能都會降低、影響產品質量。

（4）節(jié)約能源。一次熔融、直接成膜工藝技術，減少了工序，節(jié)約了熱能，可節(jié)約煤炭能源40%左右。

（5）利用具有發(fā)泡作用的添加劑A，配合研制的擠出吹膜機，解決了廢膜片熔融排氣與產品的氣泡問題。

（6）利用3種添加劑B，C，D，徹底解決了廢膜片造成的擠出不穩(wěn)定，產品縱向薄厚不均勻及熔融均化方面的部分難題。

4 新工藝技術的先進性

新工藝技術先進性可簡述為三個“第一”。

4.1 原料

在世界范圍內第一個全部采用廢聚乙烯塑料膜做原料，經國家一級查新單位于2005年7月22日在國際國內范圍內對“一次性熔融再生聚乙烯農用地膜”，以及2003年6月24日對廢聚乙烯膜一次性熔融成膜技術生產塑料袋檢索查新之后，查新結論為：在檢索范圍內，國際國內均未見有關原料使用100%的廢聚乙烯膜料一次性熔融成膜技術的文獻報告[1]”；2010年5月11日對“廢聚乙烯塑料膜一次熔融成膜技術”的查新結論為：完全以廢聚乙烯塑料膜為原料，一次熔融直接生產塑料薄膜，是本項目的突出特點。在檢索范圍內，未見與本項目“廢聚乙烯塑料膜一次熔融成膜技術”完全相同的公開文獻報道[2]。

4.2 技術

在全國范圍內，第一個采用一次性熔融成膜技術。通過山西省科學技術廳科學技術成果鑒定，結論為：該成果的創(chuàng)新之處在于使用合理的助劑，采用100%的廢聚乙烯膜為原料，不經造粒，直接一次性熔融成膜，該成果達到國內領先水平。

4.3 產品

在世界范圍內，第一個獲得“循環(huán)利用聚乙烯環(huán)保農用地膜”的企業(yè)標準：Q/140000SJKS001-2005，且質量指標超過全新原料制成的普通農用地膜國標[5]。

5 新工藝技術產品質量檢測分析

（1）山西省質量監(jiān)督局檢驗站對廢聚乙烯塑料膜生產的農用地膜檢驗結果（表1）。

表1 利用廢聚乙烯塑料膜生產的農用地膜質量指標

（2）山西省質量監(jiān)督局檢驗站對稷山縣科潔塑料應用有限公司利用廢聚乙烯塑料膜生產的聚乙烯包裝膜檢驗結果[6]（表2）。

表2 利用廢聚乙烯塑料膜生產的包裝膜質量指標

（3）該工藝技術與相關技術比較，更具有先進性、新穎性、經濟性、推廣性（表3）。

用本工藝技術生產的《循環(huán)利用聚乙烯環(huán)保農用地膜》質量技術標準，經山西省質量技術監(jiān)督局備案（Q/140000SJKS001-2005），第一個獲得此類產品的企業(yè)標準。8年來，經省級質檢單位多次檢驗后，各項質量指標均達到國標，個別指標超過國標要求5倍以上，并且生產的塑料袋產品性能也非常優(yōu)異[7]。

表3 與當前國內外同類技術主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較表

6 結論

傳統(tǒng)工藝是將廢塑料膜預處理后，第一次熔融10%的廢塑料膜造粒，先制成粒狀，再摻入90%以上的新原料進行第二次熔融，制成塑料薄膜。其附加值低，回收利用價值不大，且有二次污染環(huán)境的弊端。

本發(fā)明工藝具有以下特點：采用原料100%使用廢聚乙烯膜料，廢膜資源化利用率高；不用造粒，一次性熔融成膜，其生產工藝獨特、合理、投資少、成本低、易操作；生產過程中無“三廢”產生，所用添加劑無毒，對農作物生長無害。在機組簡化、提高效益、降低成本方面有獨特優(yōu)勢，在該技術領域具有重大突破。

本工藝技術針對傳統(tǒng)工藝在再生利用過程中用量利用比率低、需二次熔融的技術難題，創(chuàng)造了一次熔融成膜先進技術，產品質量高，成本低，具有良好的市場前景，符合國家廢棄物資源化綜合利用、節(jié)能減排以及可持續(xù)發(fā)展的產業(yè)政策，具有推廣意義。

[1] 山西省科學技術情報研究所科技查新報告.廢聚乙烯膜料一次熔融成膜技術[R].2010-05-11.

[2] 任守仁.廢聚乙烯膜料一次性熔融成膜工藝及成膜專用擠出機的松緊螺桿結構：中國，ZL03146155.7[P].2008-02-27.

[3] 山西省塑料產品質量監(jiān)督檢驗站.循環(huán)利用聚乙烯包裝用吹塑薄膜.定期監(jiān)督.檢驗報告[R].DJC200607003.

[4] 國家科學技術研究成果公報[R].2003(2)：37.

[5]山西省質量技術監(jiān)督局.Q/140000SJKS001-2005.2005-08-01發(fā)布：循環(huán)利用聚乙烯環(huán)保農用地膜.企業(yè)標準[S].

[6] 山西省塑料產品質量監(jiān)督檢驗站.循環(huán)利用聚乙烯環(huán)保農用地膜.定期監(jiān)督.檢驗報告[R].DJC200604002.

[7]山西省質量技術監(jiān)督局.Q/140000SJKS002-2006.2006-08-01發(fā)布：循環(huán)利用聚乙烯包裝用吹塑薄膜.企業(yè)標準[S].

The membrane production technology of waste polyethylene plastics

HE Xiuyuan1，LV Yongkang1，REN Shouren2，WANG Rui1，HE Min1
（1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China；2.Jishan Secco Clean Plastic Application Co.,Jishan 043200,China）

The utilization technology of waste polyethylene plastic products was introduced.The raw material was all from waste polyethylene plastics without granulating or multi-melting,and could be made to new plastic membrane by melting once.The agricultural film and packaging film made by waste plastics met or exceeded the national quality and technical standard by authority test.Due to fewer procedures,energy and resources were saved.At the same time,there were some innovations to change the traditional requirements in treading waste plastics,such as new products must be made by 90%raw materials and 10%waste,or must be melted for many times,etc.This technology is a new process without wastes,and is meaningful for saving energy,comprehensively using resources,protecting environment and developing circular economy.

waste polyethylene plastic;melt for one single time;recycling;new process

X783

A

1674-0912（2010）09-0028-04

2010－06－28）

山西省科學技術發(fā)展計劃項目（050013）

何秀院（1956-），男，山西稷山人，博士研究生，高級工程師/高級農藝師，主要從事工農業(yè)副產品清潔加工生產與節(jié)能減排工程、有機廢棄物資源化綜合利用與生態(tài)環(huán)境工程、沙化荒漠治理與農業(yè)水土保持等技術的研究開發(fā)。