废聚乙烯塑料膜再生利用直接制膜工艺研究

据报道，全世界每年有超过500亿只废塑料袋四处流散，其中只有3％被回收。仅北京市每年消耗塑料袋近100亿只，上海则每年使用塑料袋24万t。近年来，我国每年产生上千万吨的废旧聚乙烯塑料，其主要分布在：(1)各大城市的垃圾填埋场；(2)城乡废品收购站；(3)田间地头；(4)大部分厂矿企业的产品包装废弃内袋。随着经济和工农业的发展，废1日聚乙烯产出量以9．6％以上的速度递增。如何变废为宝、化害为利，充分利用这一放错地方的资源，并节约政府在治理这一白色污染中所造成的人力、物力、资源的消耗，便成了当务之急。
　　1废聚乙烯塑料膜处理与再生利用现状
　　目前，国内外比较成熟的技术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，然后再经过第二次熔融成膜再生利用。世界发达国家对废旧塑料膜的处理方法大体为：回收加工造粒后，再添加大量的新料二次熔融制膜；焚烧发电；填埋等几种方式。再生利用的主要设备为破碎机、洗涤和脱水分离装置、挤出造粒机等[1]。我国对废旧塑料膜的处理方法主要是焚烧和填埋，在回收利用废塑料膜方面起步较晚，技术尚不完善，现有的薄膜回收生产线，通常采用人工挑选分类一粉碎一清洗一干燥一捏合一塑化一造粒的工序，所用设备有粉碎机、输送机、清洗机、干燥机、捏合机、挤出机、造粒机等，存在着浪费资源、能源、污染环境、经济效益低下等问题。焚烧法处理对焚烧炉要求较高，而且废塑料膜在焚烧过程中会产生大量的有毒有害气体，对大气环境造成二次污染；填埋法存在占用空间大、难以降解、污染土地和水资源等缺点[1]；现有的回收造粒再利用技术，以90％的新聚乙烯为原料，只能添加10％的少量废料，且必须经过二次熔融才能制成产品。而通过二次熔融后分子结构链缩短，强度和拉力等性能大幅度降低，生产出的塑料膜产品质量指标大幅下降，达不到使用要求，并且费用大、成本高、附加值低、利润低，回收利用价值不大，存在不易规模化和产业化的问题。因此，综合利用废旧塑料膜，防治白色污染已成为当今世界各国科学研究和科技开发的热点。
　　2废聚乙烯塑料膜一次熔融直接制膜工艺
　　2．1技术原理
　　将废塑料膜经预处理，除去有机杂质，粉碎水洗后成为平均片径不大于8 mm的废膜片，经甩干后加入A，B，C，D 4种添加剂(交联剂、偶联剂、成核剂和自制催化剂)，以改善物料在吹塑机中的理化性能与状态，借助具有“一松一紧”螺纹结构的螺杆(松紧螺杆)挤压成形，使废膜片一次熔融成型，产品性能指标大幅度
　　提高。
　　工艺技术方案包括：废膜料预处理、粗粉碎水洗、细粉碎水洗、甩干、投放添加剂、搅拌、烘干、进料挤压、熔融、吹塑成型、制膜产品等工序。添加剂与废膜料的质量配比为0．5‰～1．2‰：998．8‰～999．5‰，添加剂由碳酸氢钠、粉状低压聚乙烯、粉状聚丙烯和复合助剂按下列的质量配比构成：碳酸氢钠：粉状低压聚乙烯：粉状聚丙烯：复合助剂=0．8-1．2：1．0-1．4：0．8-1．2：2．7-3．3，其中复合助剂由交联剂、偶联剂、成核剂、开口剂按下列质量配比构成：交联剂：偶联剂：成核剂：开口剂=11±10％：7±10％：3±10％：6±10％，塑料成膜采用配置有专用松紧螺杆的成膜挤出机。
　　2．2松紧螺杆
　　成膜专用挤出机的松紧螺杆结构。
　　加料段：将普通螺杆的单螺纹改为双头螺纹，并改变其断面形状，形成斜推进挤压。结果表明，这种结构不仅起到普通螺杆对物料的辅送和排气作用(结合添加剂A)，而且使废膜片间的余微量气体全部排出，使产品密实无气泡。熔融段(压缩段)：同样采用双头螺纹结构，逐步调整压缩段的压缩比(结合添加剂B、c)，使物料挤出平稳。均化段(计量段)：研究人员将均化段分为3个分段，每分段结构均由螺距相等的三头螺纹组成，顺着物料挤出方向规律变换螺糟深度(结合添加剂D)。产出的塑料膜产品各项性能指标非常理想。
　　2．3添加剂
　　添加剂分为A，B，C，D 4种，在搅拌烘干时一次性加入，分析认为各添加剂分别在加料段、熔融段、均化段发挥不同作用。
　　2．4工艺流程
　　废聚乙烯膜料一次熔融成膜工艺技术路线及清洁生产工艺流程如图1所示。

　　2．5原料与设备
　　全部使用废聚乙烯塑料膜做原料，添加0．08％～0．1％的交联剂、偶联剂、成核剂和自制催化剂。
　　成膜挤出机松紧螺杆结构示意图如图1。沿物料挤出方向分成加料段儿、熔融段RR、均化段JH、加料段儿和熔融段RR，设置为具有直角三角形螺纹断面的双头螺纹，均化段JH设置螺距相等的三头螺纹，并且顺着物料挤出方向，三头螺纹中的各螺纹的螺槽深度有由浅渐深、由深渐浅的间隔变化(如第一螺纹的螺槽深度为由浅渐深，第二螺纹的螺槽深度就为由深渐浅，第三螺纹的螺槽深度又为由浅渐深)，均化段JH分为等长的三分段，分段间有段间间隔槽，间隔槽的槽深2～4 mm，槽宽8～14 mm[2]。加料段JL、熔融段RR和均化段JH各占螺杆上螺纹总长度(如图2所示a点到d点)的1／3。此种长度比例为最优比例，有利于产品品质的进一步提高。熔融段RR沿物料挤出方向螺杆的公称直径渐次加大，其一端(b端)与另一端(c端)的直径之比为1．8～2．2：2．9～3．6。加料段JL和熔融段RR的双头螺纹的螺槽深3～11 mm，螺距45～70 mm。

　　2．5原料与设备
　　全部使用废聚乙烯塑料膜做原料，添加0．08％～0．1％的交联剂、偶联剂、成核剂和自制催化剂。
　　成膜挤出机松紧螺杆结构示意图如图1。沿物料挤出方向分成加料段儿、熔融段RR、均化段JH、加料段儿和熔融段RR，设置为具有直角三角形螺纹断面的双头螺纹，均化段JH设置螺距相等的三头螺纹，并且顺着物料挤出方向，三头螺纹中的各螺纹的螺槽深度有由浅渐深、由深渐浅的间隔变化(如第一螺纹的螺槽深度为由浅渐深，第二螺纹的螺槽深度就为由深渐浅，第三螺纹的螺槽深度又为由浅渐深)，均化段JH分为等长的三分段，分段间有段间间隔槽，间隔槽的槽深2～4 mm，槽宽8～14 mm[2]。加料段JL、熔融段RR和均化段JH各占螺杆上螺纹总长度(如图2所示a点到d点)的1／3。此种长度比例为最优比例，有利于产品品质的进一步提高。熔融段RR沿物料挤出方向螺杆的公称直径渐次加大，其一端(b端)与另一端(c端)的直径之比为1．8～2．2：2．9～3．6。加料段JL和熔融段RR的双头螺纹的螺槽深3～11 mm，螺距45～70 mm。

　　综上所述，设备的关键部件--松紧螺杆、添加剂、综合参数三要素有机结合，实现了一次熔融成膜技术。
　　3新工艺技术的创新性
　　(1)在原料使用上取得了重大突破。目前常规使用的工艺技术，是用90％的新聚乙烯塑料膜为原料，添加10％的废旧聚乙烯塑料膜；本工艺技术采用100％废旧聚乙烯塑料膜为原料再生产品，突破了现有相关技术(经二次熔融)只能添加少部分废膜的局限性。
　　(2)目前常规使用的工艺技术，是二次熔融成膜，第一次先将废旧聚乙烯塑料膜熔融制成颗粒原料；第二次再将颗粒原料熔融制成产品。本工艺发明了“不经造粒、一次熔融、直接成膜”的工艺技术。
　　(3)提高产品质量。一次熔融直接成膜的产品，经山西省塑料产品质量监督检验站检验，各项指标均达到国标要求[3]；而常规技术经过二次熔融后，造成两次降解，强度和拉力等性能都会降低、影响产品质量。
　　(4)节约能源。一次熔融、直接成膜工艺技术，减少了工序，节约了热能，可节约煤炭能源40％左右。
　　(5)利用具有发泡作用的添加剂A，配合研制的挤出吹膜机，解决了废膜片熔融排气与产品的气泡问题。
　　(6)利用3种添加剂B，C，D，彻底解决了废膜片造成的挤出不稳定，产品纵向薄厚不均匀及熔融均化方面的部分难题。
　　4新工艺技术的先进性
　　新工艺技术先进性可简述为三个“第一”。
　　4．1原料
　　在世界范围内第一个全部采用废聚乙烯塑料膜做原料，经国家一级查新单位于2005年7月22日在国际国内范围内对“一次性熔融再生聚乙烯农用地膜”，以及2003年6月24日对废聚乙烯膜一次性熔融成膜技术生产塑料袋检索查新之后，查新结论为：在检索范围内，国际国内均未见有关原料使用100％的废聚乙烯膜料一次性熔融成膜技术的文献报告[1]”；2010年5月11日对“废聚乙烯塑料膜一次熔融成膜技术”的查新结论为：完全以废聚乙烯塑料膜为原料，一次熔融直接生产塑料薄膜，是本项目的突出特点。在检索范围内，未见与本项目“废聚乙烯塑料膜一次熔融成膜技术”完全相同的公开文献报道[2]。
　　4．2技术
　　在全国范围内，第一个采用一次性熔融成膜技术。通过山西省科学技术厅科学技术成果鉴定，结论为：该成果的创新之处在于使用合理的助剂，采用100％的废聚乙烯膜为原料，不经造粒，直接一次性熔融成膜，该成果达到国内领先水平。
　　4．3  产品
　　在世界范围内，第一个获得“循环利用聚乙烯环保农用地膜”的企业标准：Q／140000SJKS001-2005，且质量指标超过全新原料制成的普通农用地膜国标[5]。
　　5新工艺技术产品质量检测分析
　　(1)山西省质量监督局检验站对废聚乙烯塑料膜生产的农用地膜检验结果(表1)。

　　综上所述，设备的关键部件--松紧螺杆、添加剂、综合参数三要素有机结合，实现了一次熔融成膜技术。
　　3新工艺技术的创新性
　　(1)在原料使用上取得了重大突破。目前常规使用的工艺技术，是用90％的新聚乙烯塑料膜为原料，添加10％的废旧聚乙烯塑料膜；本工艺技术采用100％废旧聚乙烯塑料膜为原料再生产品，突破了现有相关技术(经二次熔融)只能添加少部分废膜的局限性。
　　(2)目前常规使用的工艺技术，是二次熔融成膜，第一次先将废旧聚乙烯塑料膜熔融制成颗粒原料；第二次再将颗粒原料熔融制成产品。本工艺发明了“不经造粒、一次熔融、直接成膜”的工艺技术。
　　(3)提高产品质量。一次熔融直接成膜的产品，经山西省塑料产品质量监督检验站检验，各项指标均达到国标要求[3]；而常规技术经过二次熔融后，造成两次降解，强度和拉力等性能都会降低、影响产品质量。
　　(4)节约能源。一次熔融、直接成膜工艺技术，减少了工序，节约了热能，可节约煤炭能源40％左右。
　　(5)利用具有发泡作用的添加剂A，配合研制的挤出吹膜机，解决了废膜片熔融排气与产品的气泡问题。
　　(6)利用3种添加剂B，C，D，彻底解决了废膜片造成的挤出不稳定，产品纵向薄厚不均匀及熔融均化方面的部分难题。
　　4新工艺技术的先进性
　　新工艺技术先进性可简述为三个“第一”。
　　4．1原料
　　在世界范围内第一个全部采用废聚乙烯塑料膜做原料，经国家一级查新单位于2005年7月22日在国际国内范围内对“一次性熔融再生聚乙烯农用地膜”，以及2003年6月24日对废聚乙烯膜一次性熔融成膜技术生产塑料袋检索查新之后，查新结论为：在检索范围内，国际国内均未见有关原料使用100％的废聚乙烯膜料一次性熔融成膜技术的文献报告[1]”；2010年5月11日对“废聚乙烯塑料膜一次熔融成膜技术”的查新结论为：完全以废聚乙烯塑料膜为原料，一次熔融直接生产塑料薄膜，是本项目的突出特点。在检索范围内，未见与本项目“废聚乙烯塑料膜一次熔融成膜技术”完全相同的公开文献报道[2]。
　　4．2技术
　　在全国范围内，第一个采用一次性熔融成膜技术。通过山西省科学技术厅科学技术成果鉴定，结论为：该成果的创新之处在于使用合理的助剂，采用100％的废聚乙烯膜为原料，不经造粒，直接一次性熔融成膜，该成果达到国内领先水平。
　　4．3  产品
　　在世界范围内，第一个获得“循环利用聚乙烯环保农用地膜”的企业标准：Q／140000SJKS001-2005，且质量指标超过全新原料制成的普通农用地膜国标[5]。
　　5新工艺技术产品质量检测分析
　　(1)山西省质量监督局检验站对废聚乙烯塑料膜生产的农用地膜检验结果(表1)。

　　(2)山西省质量监督局检验站对稷山县科洁塑料应用有限公司利用废聚乙烯塑料膜生产的聚乙烯包装膜检验结(表2)。

　　(2)山西省质量监督局检验站对稷山县科洁塑料应用有限公司利用废聚乙烯塑料膜生产的聚乙烯包装膜检验结(表2)。

　　(3)该工艺技术与相关技术比较，更具有先进性、新颖性、经济性、推广性(表3)。

　　用本工艺技术生产的《循环利用聚乙烯环保农用地膜》质量技术标准，经山西省质量技术监督局备案(Q／140000SJKS00 1-2005)，第一个获得此类产品的企业标准。8年来，经省级质检单位多次检验后，各项质量指标均达到国标，个别指标超过国标要求5倍以上，并且生产的塑料袋产品性能也非常优异[7]。
　　6结论
　　传统工艺是将废塑料膜预处理后，第一次熔融10％的废塑料膜造粒，先制成粒状，再掺人90％以上的新原料进行第二次熔融，制成塑料薄膜。其附加值低，回收利用价值不大，且有二次污染环境的弊端。
　　本发明工艺具有以下特点：采用原料100％使用废聚乙烯膜料，废膜资源化利用率高；不用造粒，一次性熔融成膜，其生产工艺独特、合理、投资少、成本低、易操作；生产过程中无“三废”产生，所用添加剂无毒，对农作物生长无害。在机组简化、提高效益、降低成本方面有独特优势，在该技术领域具有重大突破。
　　本工艺技术针对传统工艺在再生利用过程中用量利用比率低、需二次熔融的技术难题，创造了一次熔融成膜先进技术，产品质量高，成本低，具有良好的市场前景，符合国家废弃物资源化综合利用、节能减排以及可持续发展的产业政策，具有推广意义。

　　用本工艺技术生产的《循环利用聚乙烯环保农用地膜》质量技术标准，经山西省质量技术监督局备案(Q／140000SJKS00 1-2005)，第一个获得此类产品的企业标准。8年来，经省级质检单位多次检验后，各项质量指标均达到国标，个别指标超过国标要求5倍以上，并且生产的塑料袋产品性能也非常优异[7]。
　　6结论
　　传统工艺是将废塑料膜预处理后，第一次熔融10％的废塑料膜造粒，先制成粒状，再掺人90％以上的新原料进行第二次熔融，制成塑料薄膜。其附加值低，回收利用价值不大，且有二次污染环境的弊端。
　　本发明工艺具有以下特点：采用原料100％使用废聚乙烯膜料，废膜资源化利用率高；不用造粒，一次性熔融成膜，其生产工艺独特、合理、投资少、成本低、易操作；生产过程中无“三废”产生，所用添加剂无毒，对农作物生长无害。在机组简化、提高效益、降低成本方面有独特优势，在该技术领域具有重大突破。
　　本工艺技术针对传统工艺在再生利用过程中用量利用比率低、需二次熔融的技术难题，创造了一次熔融成膜先进技术，产品质量高，成本低，具有良好的市场前景，符合国家废弃物资源化综合利用、节能减排以及可持续发展的产业政策，具有推广意义。