CN1072880A - 从复合材料分离纤维的方法 - Google Patents

Abstract

将经过热固性树脂浸渍的树脂增强纤维废物料 例如树脂增强的玻璃纤维废物料进行处理以回收纤 维，其法是先将废物料撕碎，然后粉碎撕碎的废物料 并将被粉碎后的废物料过筛以分离自由纤维。余下 来的废物料经碾磨以产生适于作填料的细微粉末。 在完成粉碎过程中对粉碎后的废料不加以分类，对一 部分在标定切割尺寸以上的粉碎后的物料进行再处 理。在过筛过程中自由纤维由一空气提升机加以分 离。

Description

本发明涉及对纤维增强塑料制造过程中的废物副产品进行处理的方法及装置。

纤维增强塑料应用广泛，它主要是采用了用热固性树脂浸渍的纤维基料。一种更受欢迎的纤维增强材料是玻璃纤维，它可以以毡片形式使用，或者是编织的或不规则的，或者是分布在树脂粘结剂中的切断的纤维。

采用纤维增强塑料的制造技术常常需要对完成的产品进行修边。这些废边料以及制作不当的产品产生了相当多的废物料，而这只能作为填地料处理掉。而且，一旦产品的使用寿命过了期，就通常只能作为填地料处理掉。

在汽车工业中用得越来越多的另一种产品是一种片状成型料（SMC），它用来制作用于面板、档板之类的复杂型材。这些产品是大量生产的，因而不可避免地有一些产品没有足够好的质量。因此，在制造过程中及在产品寿命终止时又有许多废物料要加以处理。

以前，利用纤维增强塑料的废料副产品的尝试还不是成功的。这一部分是因为大多数寻求减少废料尺寸的方法会产生过多热量，而这又会使树脂熔化而使过程无法进行。但人们也认识到，许多废物料含有纤维，如果它能在损伤较小的情况下从树脂中分离出来的话，是可以回收利用的。

因此，本发明的一个目的是提供一种从纤维增强塑料中分离出纤维的方法和装置，它们克服或减轻了上述缺点。

根据本发明，一种从纤维增强塑料分离出纤维的方法包括以下步骤：将所述材料撕碎成许多离散的碎片，将所述碎片喂入粉碎机以对所述碎片进行冲击，从所述粉碎机提供不分类的输出料，从所述输出料中分离出已脱离的纤维并将至少一部分剩余的输出料喂入一粉碎机以使之进一步减小。

业已发现，通过利用主轴转锤式的粉碎机，即大家熟知的成纤器，可从树脂获得分离得很好的纤维而不会产生过多的热量或过度损害纤维。

最好粉碎机是风吹式的，这样纤维夹带在气流里并有效地穿行过粉碎机。

经过粉碎机后的自由纤维的分离保证了自由纤维不会由粉碎机再次处理，以在回收的纤维中维持最大的纤维长度。

更好地，由粉碎机进一步处理的那部分其余的输出料经过选择而包含大体上一致的纤维增强塑料碎片，这样，进一步的处理是将纤维分离而不是再处理已经分离出的纤维。

利用撕碎机将材料破碎成尺寸统一的小的离散碎片，方便了粉碎机的操作。对于某些类型的废料，有相大数量的自由纤维可在用粉碎机粉碎之前或者在撕碎机撕碎之前或之后先加以分离，而这进一步有助于粉碎机的操作。

在一个实施例中，由粉碎机处理的材料逐级通过多个越来越细的筛子而在每个阶段都将自由纤维除去。最终产生的副产品就可进行碾磨以生产细粉，此细粉可用作树脂增量剂或其特性与市售商品相当的填料。

在第二个实施例中，更可取地利用筛子或滚筒筛在粉碎机处理后对自由纤维进行分离。业已发现滚筒在从复合材料的大碎片中分离出自由纤维并允许复合材料通过粉碎机进行再处理方面是有效的。

下面参照附图对本发明的实施例进行描述，实施例只作为举例用，图中：

图1示意性地表示了从纤维增强塑料中分离出纤维的方法和装置;

图2是如图1所示方法中使用的装置的剖示图;

图2a是图2所示装置的部分放大图;

图3是将处理过程中回收的产品的纤维尺寸分布与市售产品相比较的曲线图;

图4示意性地表示了图1所示方法的另一实施例;

图5是图3方法中使用的装置的另一部件的剖示图;

图6示意性地表示了图1和图4的方法的又一实施例;

图7是用于图6所示实施例的筛网的放大示意图。

请参看图1。图中用标号10表示的诸如纤维玻璃复合材料之类的纤维增强塑料的废料被导入一撕碎机12。废料可包括固化树脂和纤维产品，也可包括在制造过程中修整下来的纤维布或毡片。

撕碎机12是一低速高扭矩撕碎机，它采用的是一对反向转动的轴，轴上有许多交叉带钩刀片。这种撕碎机可从安大略省剑桥市的撕碎技术有限公司（Shred-Tech  Limited）购得。撕碎机12使废料减小成离散的碎片，典型地为8cm×8cm左右的长条，其厚度由原始进料决定。业已发现，撕碎机12中采用的钩齿的最佳倾斜角在10°至20°之间，当在20rpm至26rpm的转速下工作时15°的倾斜角表明是令人满意的。还发现进料小得太厉害，比如减小成3cm×3cm，一般会导致降低长纤维的回收量。

将如标号14所示的撕碎的碎片置于振动着的无孔筛网16上。无孔筛网16使已在撕碎机12内被释放的自由纤维仍与被树脂粘结住的纤维分离开来并可由气动提升机18除去。此纤维的致密度（consistency）与市售的36mm切断丝束相类似。业已发现采用混合废物料例如手工敷层制的树脂增强废物料，10%左右的初始废料可由撕碎机12释放而成自由纤维并由气动提升机18提取出。分离出的自由纤维由清花机20进一步提纯，在实验中发现从清花机20可获得纯度为88%左右的自由纤维。

标号22所示的其余废料被送入粉碎机24以进一步分离。图2更详细地示出了粉碎机24，它是一个立轴转锤碾磨机，即人所共知的成纤器。如图1所示的在实验过程中所用的成纤器是由魁北克黑湖的富尼钢铁工厂（Fournier  Stecl  Works）制造的“实验室规模的成纤器”，其型号为D6624RE。粉碎机24采用一主轴52，轴上有许多转锤54，它们以枢轴方式安装在此轴上以在水平面内摆动。一不穿孔的破碎机56设置在轴52周围，这样导入粉碎机的物料受到转锤54冲击或击在破碎板上。静止的指状物57介于转锤54之间。从图2a可见，板56径向向内的表面设有锯齿，径向表面59与轴52的旋转方向基本上相对。

每个转锤54包括一增大的头部58，它分别有一前端面60和一后端面61，还有端面62以及上下面63。最好每个面60、61、62、63的交界处角度为90°，而且交界处不做成圆角，这样可提供“尖利的”边缘。同时最好头部的各面由适当的常规方法进行表面硬化处理。物料从进口64到出口66以垂直方向穿过粉碎机24。物料由空气夹带来加强其流动，空气流动方向用箭头68表示，它携带着产物经过转锤54。粉碎机24不包括在其他类型的锤碾机中常用的分类筛，这样在出口66处的物料就不分类并由单一通路从进口64进到出口66。令人惊奇地发现采用不分类的立轴转锤碾磨机可以有效地将纤维与树脂分离而不损伤纤维。

相反，当废物导入采用了分类筛的球磨机、棒磨机或震碎箱内时，材料没有被粉碎而只是被简单地磨光了。

发明人深信不用分类筛并因而采用了单一通路的粉碎过程减少了在磨碎机中的再循环并因此防止了物料过度加热或纤维的过度伤害。而且，转锤的运动沿着纤维方向使物料粉碎并因此释放出了纤维。

图1的实施例中，来自粉碎机24的物料喂送到一振动筛网26。振动筛网26是10网目筛网，它有由直径为0.51mm的金属丝所构成的2.03mm的网孔。来自粉碎机的物料在筛网26上分离成通过筛网落下的物料28和太大而无法通过筛网26因而留在上面的物料30以及由气动提升机32提取的自由纤维。气动提升机32提取的自由纤维可与清花机20的输出料相结合以产生与市售24mm切断丝束相类似的纤维较长的回收品。

留在10网目筛网上面的物料30送回粉碎机24进一步处理并最后在筛网26上分离。

落下的物料28作为原料33送到35网目筛网34，筛网34有由直径为0.216mm的金属丝所构成的0.51mm的网孔。此筛网再将原料33分成通过筛网34和落下物料36和通不过筛网34因而留在上面的物料38以及由气动提升机40分离的自由纤维。实际上，当采用玻璃纤维增强复合材料时，发现由气动提升机40提取的纤维可作为具有与市售的8mm-12mm切断丝束相类似的致密度的最终产品来加以使用。

落下物料36作为原料37送到又一个振动筛网42，筛网42是一个具有由0.152mm直径的金属丝构成的0.27mm网孔的60网目的筛网。筛网42将通过气动提升机44提取的自由纤维进一步分离开并将留在上面的物料46和落下的物料48送到一碾磨装置50。由气动提升机44提取的纤维其致密度与3mm碾磨的纤维相似，并且如果废物料是玻璃纤维增强的时候纯度一般为60%。

碾磨装置50是一由流体能量驱动的碾磨机，其中由一对喷气流夹带着的颗粒物料流束受冲击并粉碎。这种碾磨机一般称为微粉磨机，可生产10微米左右的非常细的粉末。业已发现此粉末可用作树脂的增量剂或填料来生产纤维玻璃增强产品。

从上可见，此方法可提供与市售的新纤维差不多的自由纤维，同时能从树脂产生出可作为填料或增量剂重新使用的粉末。

当废物料包括玻璃纤维时，由气动提升机提取的纤维其纤维相对于树脂的纯度典型地为60%左右，然而我们相信夹带在纤维里的树脂小碎片没什么害处，甚至还能增强纤维的特性。

如图3所示，从气动提升机44提取的纤维具有与市售碾磨成3mm的纤维产品差不多的纤维长度特性，而且典型地纯度也为60%。纤维尺寸分布是采用湿网分类法的Bauer  Mc  Nett测试机获得的。

在每条纤维生产线中采用与20所示相类似的清花机可从树脂中进一步分离出纤维。然而，测试中发现这种清花机会减小自由纤维的长度并因此而不能令人满意。

在玻璃增强复合材料的测试中，发现废料的通过重量的30%至40%回收成纤维，且大多数是从10网目筛网26回收的。碾磨机50的产量为总通过量的重量的20%左右。因此可见，超过50%重量的原始废物料回收成可重新利用的材料。采用如上所述的粉碎机可获得上述结果，但粉碎机在转锤头部的各面60、61、62、63的交界处有圆角边缘，且不进行表面硬化处理。我们发现采用锐边缘和表面硬化可提高纤维的提取量。

在图4和图5中揭示了又一种方法，尽管如图所示此装置可用于不同类型的废物料，但这种方法对SMC型的废物料特别有利。图中，相同部件同相同的标号表示，但为清楚起见加上了一个后标a。

在图4的方法中，SMC废物料首先由撕碎机12a撕成小碎片。撕碎机12a的输出料排到一传送带69上，传送带69有选择地将撕碎的废料送向粉碎机24a、清花机20a或切断机71中。不同类型的废料有不同的特性，因此，比如一些废料主要是玻璃毡片，这就最好用切断机73处理。类似地，一些废料有较多的自由纤维，而这最好用清花机20a分离。通过不同的装置和传送带，混合的废料可有效且有选择地进行处理。

因为SMC废料中自由纤维很少，撕碎机12a的输出料就喂入与上述相同的粉碎机24a。废料在单一地通过粉碎机24a后喂入一对料仓73中的一个，料仓73用来储存粉碎机的输出料并将废物料在料仓73内循环以使废物料在料仓内获得均匀的分布。清花机20a的输出料也喂入料仓73a以便随后的处理。料仓内的废物料然后由传送带75喂入一由滚筒70进行工作的第一分离级。

滚筒70包括一静止的壳体72，一圆柱形筛子74可转动地安装在壳体72内以绕一基本水平的轴线旋转。一桨叶组76包括一轴78和几个桨叶80，它也可转动地安装在壳体72内与筛子74共轴。一电动机使筛子74沿一个方向转动而使桨叶组76沿相反方向转动，这样筛子74就和浆叶80反向旋转。空气导入筛子74的中央并如箭头86所示穿过筛子74而径向向外流动。

来自料仓73的粉碎机24a的输出料喂入筛子74的内部，在那里自由纤维和小颗粒树脂穿过筛子以收集在壳体72的底部并由螺旋推运器82排出。对于SMC废料，发现粉碎机24a的输出料包括较高比例、典型地为5%至10%的重量的较大的SMC废物料的离散碎片。这些碎片俗称“像章”，其尺寸典型地与硬币相同，即直径为1cm至3cm，其厚度为废料原来的厚度。相信像章状料的存在阻止了轨道振动筛上的纤维分离，但我们惊奇地发现筛子74和桨叶80在滚筒内的反向转动促进了纤维的分离。我们发现，当桨叶绕筛子74转动时桨叶80对废料的较有力的搅动使纤维能由空气流定向沿径向穿过筛子74而将像章状料留在筛子74内。为了得到最佳的分离效果，叶片80应比较接近筛子74，如果具有较软的叶片端的话，可以接触筛子74。一般间距最好小于12mm，虽然通过筛子74的空气流中的间距是可以调节以在筛子74内提供强有力的运动以及纤维在气流中的定向的。我们发现，4.5网目（约1/4英寸）的筛子对这种分离是有效的。长达1英寸的纤维可由空气流定向而穿过筛子，但较大的碎片或像章状料则被留下。

像章状料从筛子74中央除去并再经过一粉碎机24a。如图4所示，可采用第二个粉碎机24a，废物料则在喂回到滚筒70之前经过一漩风分类器77。来自分类器77的空气穿过用来收集灰尘和小颗粒的滤袋79而排出。或者，未通过筛子70的物料可再经过第一粉碎机24a并通过料仓73进行再处理。像章状料可组成5%至15%的喂入到粉碎机24a的废物料。

从滚筒落下的物料，即经过筛子74的物料通过一分类器81馈入到一与上述相似的10网目轨道筛网26a。分类器81还接收流过筛子70的空气，这样夹带在空气流中的所有纤维就被进一步分离并喂入到筛网26a。筛网26a将纤维和树脂分离开，自由纤维则被气动提升机30从筛网26a的表面提升。回收的纤维经过一分类器83以将灰尘分离掉，然后就可重新加以利用，其致密度与1英寸切断丝束的致密度相同。

留在筛网26a上的物料30a主要是树脂，它经过料仓85而送到一磨碎机50a以磨成填料。磨碎机50a的输出料在袋滤器87里过滤，而固体物料在一漩风分类器89里分类。大小在分类器89的切割尺寸以下的固体，收集在料仓93里以作为树脂填料使用。大于分类器89切割尺寸的固体与料仓85输出物料相结合以给磨碎机50a提供原料。

从筛网26a落下的物料28a由较短的纤维和树脂组成，它被喂送到由一第二滚筒筛88提供的另一个分离装置。滚筒筛88与滚筒筛70类似，因此这里不再详细描述。滚筒筛88的筛子是一60网目的筛子，它用来将短纤维从树脂中分离出。我们同样发现，滚筒筛88的运动对于完成保持在筛内并喂入磨碎机50a的料仓85的树脂的分离是有利的。通过筛子的较短纤维在由分类器95除尘后收集起来并发现其致密度与磨碎的纤维相同。

来自切割机71的废物料直接喂入一除尘器97，然后送到10网目的筛网90。自由纤维从筛网90被空气提升起并收集在料仓92里，在那里其致密度与切断丝束相同。筛网90落下的物料和留在其上的物料都送回到料仓73以作为滚筒筛70的原料。

因此可见图4所述的方法提供了一种简单连续的方法，它可依靠每个阶段的机械分离从SMC废物料中有效地回收纤维。

在对图4中的方法进行初始测试时，发现从气动提升机32a回收的纤维其重量是废物原料的31%，7.2%的废物原料从滚筒筛70以像章状料形式回收，8.5%从留在10网目筛网26a上的物料30a中回收。

在滚筒筛88的后续处理中，喂到滚筒筛的原料的10%-15%回收成纤维，其余部分喂入碾磨机50a。

图6示出了分离玻璃纤维方法的另一个实施例，图中凡是与图1中相同的标号都表示相同的部件，但为清楚起见增加一后缀b。图6中的实施例曾用来成功地处理多达每小时1800磅的SMC废物料，而其最佳的通过量是每小时1500磅左右。如此，图6实施例提供了可从上述方法获得的有用的性能指标。

因此请参看图6。SMC废料物喂入撕碎机12b并进入粉碎机24b。SMC废料的特性是，在撕碎机12b中不会产生很多的自由纤维，可直接馈送到粉碎机24b。气流68b也送进粉碎机24b，未分类的输出物送到漩风分类器97。一辅助空气流99有助于将粉碎机24b的输出物传送到分类器97。分类器97将灰尘从未分类的输出物中除去，并将其通过一气管101传送到过滤器79。

分离器97的分类后的输出物经过一气闸103并送到滚筒70b。滚筒70b的操作如上对照图4所述，通过的物料包括收集并送到漩风分类器81b的自由纤维和树脂颗粒。通过的物料也是从螺旋推运器82b以及从经过筛子74b的夹带在气流中的纤维中收集出并在进入分类器81b之前结合在一起。留在滚筒70b上的物料通过回收管路105喂入到一分离器107。分离器107将细颗粒通过一气管109喂入到过滤器79b。分离器107的输出料经过气闸111进入粉碎机24b的进料里。再处理的留在上面的物料或像章状料可达粉碎机24b进料的25%。

分类器81b将通过气管113的细颗粒分离开以收集在过滤室79b里，纤维和树脂颗粒通过分类器的81b气闸115喂送到10网目的筛网26b。

如上所述，对于10网目的筛网26b，通过的物料28b被喂入以便进行如上结合图4或图1所述的将较短纤维进一步分离的过程。我们发现留在10网目筛网上的物料基本上是树脂颗粒，并直接送到碾磨机使之减小成细粉末。自由纤维通过气动提升机32b提升并送到分离器83b，在那里细颗粒材料被提取出并转送到过滤室79b，纤维物料通过气闸117进行传送以作为回收产品使用。

在图7中更详细地示出了气动提升机32b和10网目筛网26b的操作。

参看图7，筛网26b有网眼119并且受振动以促使颗粒物料经过网眼119。筛网26b通过在其上边缘的轨道运动进行振动并受约束而使其下边缘以基本上为往复运动的方式进行运动。经过网眼119的颗粒物料收集在料斗121里并作为通过的物料28b传送以便进一步处理。

筛网26b的下边缘制成一开孔板123，其上的开孔大于网眼119。一气动提升机125位于开孔板123上方并有一用枢轴连接的前翼127和一用枢轴连接的后翼129，它们固定在气管131上。一风扇（未画出）将空气驱过气管131以夹带自由纤维并将其从筛网26b提升起。

气动提升机125离开筛网26b表面一较大距离，典型地为6英寸左右，翼127、129的取向可促使纤维夹带在筛网26b的后边缘，即靠近翼129。在操作中，我们发现由于通过滚筒筛70b的物料沉积在网眼119上，通过物料被分离而自由纤维以及留在上面的物料逐渐沿着网眼119移动。当自由纤维及留在上面的物料经过开孔板123时，留在上面的物料快速地通过开孔123，从而提高了在筛网26b上的纤维密集度。纤维在最大量地分离后从后边缘提升起，这样在传送给漩风分离器83b时就比较干净。留有开孔板上的所有物料通过翼129下的后边缘排出以进行如上所述的进一步处理。

采用图6所示装置的作为例子的结果如下：

通过物料  撕碎机输出物的重量百分比

撕碎机输出物  100%

再处理的留在滚筒上的物料  10%

粉碎机24b的净通过物料  110%

（典型地为1500lb/br）

回收物料

留在滚筒筛上的物料（像章状料）  10%

10网目筛网气动提升机（纤维）  20%

留在10网目筛网上的物料（树脂）  15%

10网目筛网通过物料（纤维树脂）  55%

过滤器79b回收的灰尘（从所有阶段）  10%

从气动提升机回收的纤维典型地有40%重量的玻璃含量，并且其致密度与25mm切断丝束的相同。我们发现通过物料28b有很大玻璃含量的较短树脂，典型地为35%的玻璃含量，其余是树脂和碳化钙填料。

通过物料28b在40网目的筛网上作了进一步的处理，所述筛网与图1中34所示的相似但没有气动提升机。

下面是获得的结果，以撕碎机输出料的百分比来表示：

留在40网目筛网上的物料  30%

（纤维+树脂）

40网目筛网的通过物料  25%

对留在40网目筛网上的物粉进行的分析表明，其玻璃含量的重量百分比为35%，其致密度与磨成8mm的纤维、27%的碳化钙填料和32%的树脂的致密度相似。

40网目筛网的通过物料，其玻璃含量为28%，其致密度与磨成3mm的纤维、41%碳化钙材料和31%的树脂的致密度相似。

因此对留在40网目筛网上的物料及通过的物料进一步处理将产生另外的玻璃产品，树脂和填料由碾磨机50处理以作填料之用。

Claims (18)

1、一将从纤维增强塑料材料中分离出纤维的方法，其特征在于包括下列步骤：将所述物料撕碎成许多离散的碎片，将所述碎片喂入一粉碎机以对所述碎片进行冲击，从所述粉碎机提供未分类的输出料，从所述输出料分离自由纤维并将至少一部分所述输出物的其余物料喂入到一粉碎机以使之进一步减小。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的自由纤维通过使所述输出料经过一筛子并从所述筛子由一空气流将所述纤维提升起而得以将纤维分离。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的筛子对所述输出料相对于一标定尺寸进行分类，大于所述标定尺寸的那部分输出物料在去除所述自由纤维后被喂入一粉碎机以进一步进行分离。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，小于所述标定尺寸的那部分输出物料传送到另一个分离装置，在那里分离出的自由纤维由一空气流夹带而取出。

5、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碎片由一空气流夹带而受迫通过所述粉碎机。

6、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述粉碎机包括可在一壳体内转动的冲击件，所述物料沿着基本上与所述冲击件转动轴平行的方向通过所述壳体。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述旋转轴是垂直方向的。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，物料沿垂直方向流过所述壳体。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述粉碎机包括一可绕所述轴线转动的轴和与所述轴连接且可绕与转动轴线平行但隔开的各自轴转动的转锤。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述转锤安排成沿转动轴线间隔开的多层结构，静止的指状物介于所述各层之间。

11、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述撕碎机和所述粉碎机之间有一筛子，经过所述筛子的物料不经过所述粉碎机。

12、如权利要求2所述的方法，其特征在于，从所述筛子提升起的自由纤维由另一个筛子分类以将夹带在所述纤维内的颗粒材料分离出去。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述的另一个筛子上分离的自由纤维从那里被提升起。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，大于所述筛子的标定尺寸的颗粒物料通过一粉碎机以进一步减小。

15、如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述各筛子之间有一滚筒筛以释放出夹带在所述纤维里的颗粒物料。

16、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述滚筒筛位于所述粉碎机和所述筛子之间，所述自由纤维经过所述滚筒筛，较大的颗粒材料被所述滚筒筛保留住。

17、如权利要求16所述方法，其特征在于，所述较大颗粒物料喂入所述粉碎机。

18、一种从纤维增强塑料中分离出纤维的方法，包括下列步骤：将所述物料撕碎成许多离散的碎片，将所述离散碎片通过一粉碎机，从粉碎后的物料中分离出自由纤维并将至少一部分所述物料送回到所述粉碎机以进一步使之减小。

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