Размещено на http://www.allbest.ru/

Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана

РЕГЕНЕРАЦИЯ И УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИПРОПИЛЕНА

Шашкина В.Д., Бочарова К.В., Шемель И.Г.

Калуга, Россия

Современные пластики на основе полипропилена (ПП, РР) обладают рядом востребованных на рынке свойств: высоким коэффициентом отношения прочности к весу (рисунок 1), отличными термическими свойствами, изоляционными свойствами, устойчивостью к воздействию кислот, щелочей, растворителей и т.д. [1].

Этот вид пластика используется для изготовления многих бытовых и технических предметах [2-3]:

• автомобильных деталей;

• крышек от бутылок;

• ковров;

• пищевых контейнеров для йогурта, колбасных продуктов, маргарина, кетчупа, сиропа (рис.1) ;

• медицинских емкостей и контейнеров;

• емкостей для микроволновой печи;

• веревок;

• упаковочной пленки.

Рисунок 1 - Маркировка полипропилена (указывает на возможность утилизации)

Кроме того, в настоящее время для очистки различных жидкостей и питьевой воды широко применяются полипропиленовые фильтры (рисунок 2) как часть механической ступени очистки.

Рисунок 2 - Фильтрующие элементы

Отработанные изделия с экологической точки зрения необходимо либо повторно использовать после регенерации, либо проводить их утилизацию.

Существует два основных способа регенерации - физический (накопленная грязь выделяется давлением противотоком, повышением температуры, выжиганием и т.п.) и химический (задержанный осадок растворяется и вымывается из элемента), выбор способа во многом зависит от вида фильтруемой среды и типа используемого фильтроэлемента. Для максимально эффективного восстановления характеристик и увеличения ресурса работы фильтроэлемента регенерацию надо проводить, не доводя до полного забивания пор[4].

Наиболее просто и эффективно проводят очистку фильтра горячей водой, очищенной от механических взвесей, обратным током при давлении не более 0,6 МПа (до прекращения уменьшения перепада давления).

Более эффективный способ - регенерация фильтроэлемента выдерживанием его в растворителе (10%-ым раствором кислоты (лимонной, щавелевой или уксусной) или щелочи). После обработки, отмывают фильтроэлемент противотоком горячей очищенной водой. Повышение температуры регенерирующего раствора и его ионной силы так же увеличивает эффективность регенерации.

При этом необходимо учитывать способ изготовления изделия. Так, к одноразовым, эффективность регенерации которых очень мала, можно отнести элементы на основе волоконного полипропилена. поскольку вымыть задержанную грязь из тонковолоконной перегородки практически невозможно. Если по показаниям перепада давления после некоторых операций над элементом, фильтрование происходит, то работают наиболее крупные намытые каналы. Достоинство фильтроэлементов на основе полипропилена - высокая эффективность фильтрации, небольшая стоимость, они подходят для высокотехнологичных конструкций, огромный однократный ресурс работы, что делает их регенерацию не актуальной [5].

Регенерация вторичных полиолефиновых материалов, в т. ч. полипропиленовых, потерявших эластичность в результате различных видов старения может быть использована для изготовления изделий из отходов [6]. В этом случае отходы обрабатывают химическими реагентами: кремниийорганическими жидкостями, смесью ароматического и хлорированного углеводородов при объемном соотношении их 1:1 при температуре обработки 50-100 ?С, предпочтительнее 0,09-0,11%-водным раствором ферроцена при 80-100 ?С в течение 2-3 часов и полиорганосилоксановой жидкостью при 85-95 ?С в течение 5,5-6,5 часов - что обеспечивает образование активных радикалов по месту окисленных групп в полимере и пространственное структурирование образовавшихся радикалов полимера через силоксановые мостиковые связи[7].

Неуклонный рост производства и потребления полимерных материалов неизбежно вызывает рост полимерных отходов. В соответствии с ФЗ №89 необходимость в переработке отходов различного происхождения является насущной необходимостью жизни в РФ. Проблема переработки отходов полимерных материалов обретает актуальное значение не только с позиций охраны окружающей среды, но и связана с тем, что в условиях дефицита сырья полимерные отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом.

Вместе с тем решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды, требует значительных капитальных вложений. Стоимость обработки и уничтожения отходов пластмасс примерно в 8 раз превышает расходы на обработку большинства промышленных и почти в три раза - на уничтожение бытовых отходов. Это связано со специфическими особенностями пластмасс, значительно затрудняющими или делающими непригодными известные методы уничтожения твердых отходов[8].

Использование отходов полимеров позволяет существенно экономить первичное сырье (прежде всего нефть) и электроэнергию.

Использование термических способов жестко регламентируется экологическими надзорными службами, поскольку при нагревании ПП могут образовываться химические вещества с недостаточно изученным уровнем токсичности, сходные с ионолом (ВНТ) и бутилгидроксианизолом (ВНА), что вызывает обеспокоенность с точки зрения опасности для окружающей среды и здоровья человека.

По оценке Американского химического совета полипропилен является одной из наименее перерабатываемых в мире пост потребительских пластмасс, в то время как его производство составляет 28 % от всего объема пластиковых материалов. В России также перерабатывается крайне мало отходов ПП. В основном низкий уровень переработки связан с трудностями при обеззараживании, удалении запаха и налета. Поэтому в основном пластик имеет короткий жизненный цикл и сразу после использования попадает на полигоны ТБО. Полипропилен имеет долгий срок биоразложения, что представляет собой для окружающей среды.

Процесс переработки полипропилена включает в себя сбор, сортировку, очистку и непосредственно переработку. Для переработки полипропилен важно отделить от других полимеров, используя свойства материала: низкую удельную плотность (0,93-0.95 г/см ³), что позволяет отделить ПП на поверхности воды, полимеры можно отделить друг от друга благодаря разным индексам текучести расплава. Также используются усовершенствованные методы: оптические - основанные на спектроскопии средней или ближней области спектра (по цвету, что позволяет повысить стоимость вторичного продукта), лазерное акустическое распознавание[6].

Подавляющее большинство термопластов представляет собой гомогенные (ненаполненные) материалы, свойства которых определяются свойствами самого полимера. Небольшие количества других компонентов (пластификаторы, понижающие температуру перехода в вязкотекучее состояние и вязкость расплава полимера, стабилизаторы, замедляющие его старение и термодеструкцию, красители и др.), как правило, растворены в полимере и необходимы для изменения или модификации его свойств. Поэтому очень важно изучить свойства термопластичных полимеров, их связь со способами и режимами синтеза и условиями формования. Наряду с хорошими технологическими свойствами термопластичные полимеры могут обладать уникальным сочетанием эксплуатационных свойств: легкостью, стойкостью к действию агрессивных сред, отличными диэлектрическими способностями, оптическими, фрикционными свойствами.

Процесс переработки служит для получения изделий или полуфабрикатов с заданным комплексом свойств, определяемым условиями эксплуатации изделий. Таким образом, назначение материала, изделий, полуфабрикатов и условия их эксплуатации определяют направленность процесса переработки.

Исследования показали, что в мире делалось немало попыток восстановления бывшего в употреблении полипропилена, но они не находили промышленного масштаба из-за ряда препятствий:

• низкая доля полипропилена в уличном мусоре (в основном это упаковка от мороженого и бутылки из-под сока);

• большое разнообразие сортов полипропилена в потоке отходов;

• отсутствие промышленных установок по автоматической сортировке полипропилена;

• высокая степень загрязнения остатками пищевых продуктов;

• деструкция полипропилена во время переработки;

• трудность смещения полимеров с предельной вязкостью (индексом расплава), включая различные сорта полипропилена и примеси полиэтилена;

• разброс состава в различных партиях сырья.

Тем не менее испытания, проведённые различными исследователями, что вторичный полипропилен подходит для широкого ряда применений, среди которых: изделия, которые в настоящее время производятся из оригинального полипропилена, например, толстостенные цветочные горшки, тара для сбора винограда и т.д.; изделия, которые в н. в. производятся из вторичного полипропилена, например, пластмассовые брусья, ящики, паллеты, баки для мусора и т.п.

Актуальным для Калужской области является то обстоятельство, что повторно переработанный полипропилен находит большое применение в автомобильной промышленности - для изготовления бамперов, обтекателей, элементов системы кондиционирования воздуха, воздуховодов и клапанов, щитков и приборных панелей.

Инициатором этого направления явилась компания Volkswagen совместно с компанией REKO, специализирующейся на этой проблеме. Они впервые использовали вторичный полипропилен из бамперов для изготовления новых. Бамперы из полипропилена от автомобилей FIAT повторно перерабатываются для изготовления воздуховодов приборного щитка и корпусов для воздушных фильтров. Бамперы гранулируются и рекомпаундируются для производства вторичного полипропилена под маркой ReFax^TM. Востановленный полимер также используется для защиты колёсных арок некоторых моделей FIAT. Французский производитель машин Renault использует для своей модели Megan полипропиленовые бамперы из материала, состоящего на 100% из переработанных бамперов. Австралийская компания Omni Plastics перерабатывает бамперы в полимеры для напольных ковриков, используемых в автомобилях компании Toyota. Таким образом, основные препятствия для повторной переработки имеют в настоящее время скорее экономический, чем технический характер[10].

Самым значимым событием в области техники производства пластмасс является изобретение полипропилена с высокотемпературными свойствами - рандом сополимер (рисунок 3), а также его освоение в промышленности [11]. "Рандом сополимер" получается путем модифицирования структуры полипропилена, а именно: в молекулярную цепь полипропилена добавляется этилен. Это так называемое "соседство" улучшает свойства полипропилена (эластичность, вязкость, высокотемпературная прочность).

Рисунок 3 - Молекулярная структура рандома сополимера

Выпускаемые изделия (трубы для холодного и горячего теплоснабжения) из данного вида ПП выдерживают широкий интервал температурного режима используемой воды (20-95⁰С), а также постоянное давление (1-2,5МПа). Данный статистический сополимер пропилена не наносит вред окружающей среде. При обработке этого сополимера, а также утилизации его отходов, не образуются вредные экологически вещества[12]_.

Стоит отметить, что повторное использование ПП не удовлетворяет техническим требованиям серийного производства из-за деструктивных процессов переработки и, как следствие, снижения функциональных свойств первичного материала. Модификация вторичных полимеров способна обеспечивать повышение уровня их свойств[13]. Но практическая реализация процессов получения и использования модифицированных термопластов затруднена из-за недостаточной изученности явлений, возникающих при их переработке: недостаточно сведений об изменениях структуры, возникновении новых функциональных групп, об образовании новых типов связей, о формировании комплекса новых свойств. Изучение влияния добавок наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов на основе электропроводящих наполнителей (графита, металлов) методами математического моделирования позволяют адекватно спрогнозировать электропроводящие, термопластичные и реологические свойства материалов, в т. ч. и из отходов [14].

Способы физической модификации, как правило, наименее трудоёмки и достаточно экономичны. Так существенное изменение свойств нитей и, следовательно, волокнистых материалов на их основе может быть достигнуто путём уменьшения поперечных размеров элементарных нитей, в частности при получении ультратонких непрерывных волокон, а также путём придания волокнам некруглой формы поперечного сечения. Это приводит к необходимости более детального изучения процесса образования полимерных материалов и в первую очередь побуждает исследовать процессы растяжения струи расплава полимера воздушным потоком, выходящим из дутьевого устройства, остывания струи и превращения её в волокно, формирования из последнего волокнистого материала. Материалы могут быть использованы при разработке производств новых ассортиментов сепарационного волокнистого материала для электротехнической промышленности, коалесцирующих фильтроэлементов, цилиндрических фильтров, демпфирующих материалов для бронежилетов, термоклеевого волокнистого материала для швейной промышленности, геотекстильного и теплоизоляционного волокнистых материалов [15].

Известные направления рециклинга вторичных термопластов (материальный и сырьевой рециклы) были использованы в работе [16] для повторной переработки полимеров. В качестве модифицирующих методов были избраны наполнение, пластификация, удлинение полимерной цепи, а также химическая деполимеризация.

Использованные в работе [17] нанонаполнители различного строения и природы и термоэластопласты, в качестве модификаторов, позволили создать материалы на основе ПП с регулируемой структурой и свойствами. Показано, что при модификации ПП трехблочным термоэластопластом с малеиновыми группами и при введении органобентонита наблюдается эффект усиления, образуется смешанная структура, происходит значительное повышение ударной вязкости при пониженных температурах и ряда физико-механических показателей, а также рост температур и скорости кристаллизации при незначительном изменении степени кристалличности.

Установлен факт образования нанокомпозита на основе ПП при 0,1мас.% содержании углеродных нанотрубок в полимере. При этом достигается эффект экстремального повышения физико-механических свойств. полипропилен утилизация регенерация отходы

Наиболее известными и практикуемыми промышленными методами переработки являются такие методы как литье под давлением, формование и экструзия (табл.1) [18-21].

Таблица 1. Продукты вторичной переработки полипропилена

При регенерации отработанных изделий из полипропилена можно использовать один из методов или комбинацию методов переработки таких как литье под давление, формование и экструзия. Каждый из перечисленных методов имеет свои недостатки. Например, литьевые машины являются сложными и недешевыми устройствами, насыщенными современными техническими решениями, а применение термопластоавтоматов для реализации конкретного технологического процесса требует квалифицированного технико-экономического обоснования. В то же время мы будем иметь универсальность по видам перерабатываемых пластиков, высокую производительность, высокое качество получаемых изделий, возможность изготовления деталей весьма сложной конфигурации или тонкостенных изделий и полную автоматизацию процесса.

На сегодняшний день, вторичное сырье имеет безусловное преимущество относительно производства пластмассовых изделий из первичных полимеров. Переработка полипропилена и его особенность заключается в том, что процесс безотходный. А это и низкая себестоимость, и высокая эффективность с рентабельностью производства.

Список использованных источников

1. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов - СПб, Изд-во Профессия, 2004. - 464 с.

2. Кербер М.Л., Буканов А.М., Вольфсон С.И., Горбунова И.Ю., Кандырин Л.Б., Сирота А.Г., Шерышев М.А. Технические свойства полимерных материалов - СПб, Изд-во Профессия,2005.- 248 с.

3. Ф. Ла Мантиа / Под ред. Заикова Г.Е. Вторичная переработка пластмасс - СПб, Изд-во Профессия,2006.- 400с.

4. Общие подходы к регенерации фильтроэлементов патронного типа (картриджей)// Сайт F-PRO "Фильтры для производства"[Электронный ресурс] URL:http://www.f-pro40.ru/publ/obshhee_po_filtracii/obshhie_podkhody_k_regeneracii_filtroehl ementov_patronnogo_tipa_kartridzhej/4-1-0-12 (Дата обращения 11.01.2016)

5. Удалов Д.Б. Общие подходы к регенерации фильтроэлементов патронного типа (картриджей). [Электронный ресурс] URL: http://www.fpro40.ru/publ/obshhee_po_filtracii/obshhie_podkhody_k_regener acii_filtroehlementov_patronnogo_tipa_kartridzhej/4-1-0-12 (Дата обращения 6.01.2016)

6. Д. Шайерс Рециклинг пластмасс. Наука, технологии, практика СПб.: Научные основы и технологии, 2012.- 640 c.

7. Лоу И.Ю., Генин Н.Н., Дуденков С.В., Гуль В.Е., Кестельман В.Н., Убирия С.Е.,Пиркулов В.Г., Нацвлишвили Р.С., Булгаков В.Я. Способ регенерации вторичного полиэтилена и полипропилена. [Электронный ресурс] URL: http://www.findpatent.ru/patent/104/1049505.html (Дата обращения 7.01.2016)

8. Шварц О, Эбелинг Ф.-В., Фурт Б. Переработка пластмасс - СПб, Изд-во Профессия,2005.- 248 с.

9. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы - СПб.: Научные основы и технологии, 2009.- 664 c.

10. Ивановский С.К., Бахаева А.Н., Ершова О.В., Чупрова Л.В. Экологические аспекты проблемы утилизации отходов полимерной упаковки и техногенных минеральных ресурсов // Журнал "Успехи современного естествознания",2015.- №1, ч.5 - URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34949 (Дата обращения 4.01.2016)

11. Литвинова А. Как выполняется переработка полипропилена (ПП или PP) Nature time Сайт экологической грамостности [Электронный ресурс ] URL: http://nature-time.ru/2014/12/pererabotka-polipropilena-pp/ (Дата обращения 7.01.2016)

12. Трубы, изоляция / Полипропиленовые трубы: технические характеристики / [Электронный ресурс]. - URL:http://stal-volna.ru/polipropilenovye-truby-tehnicheskie-harakteristiki (Дата обращения 9.01.2016)

13. ГОСТ 26996-86 - Полипропилен и сополимеры пропилена. Технические условия-34с. [Электронный ресурс] URL:http://www.gostedu.ru/7520.html (Дата обращения 11.01.2016)

14. Аминева Е.Х. Физические свойства композиционных материалов на основе полипропилена. Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук. - Нальчик, 2009. - 20 с.

15. Генис А.В. Разработка научных основ получения волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом. Автореф. дисс. … докт. техн. наук. - Тверь, 1998. - 49 с.

16. Абдулаев Р.А. Модификация вторичных полимеров для изготовления изделий различного функционального назначения. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. - Саратов,2007. - 20 с.

17. Аль Хело О.А. Материалы на основе полипропилена с регулируемыми свойствами. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. - Москва, 2009. - 19 с.

18. Экструзия // Сайт "Полимерные Материалы"/Изделия, оборудование, технологии [Электронный ресурс]. - URL:http://www.polymerbranch.com/termoplast.html (Дата обращения 11.01.2016)

19. Т. Освальд, Л.-Ш Тунг, П. Дж. Грэманн Литье пластмасс под давлением - СПб, Издательство: Профессия, 2006г. - 712с.

20. Технология ротационного формования // "ТермАк Полимер" / Инновационные решения в сфере полимеров [Электронный ресурс] URL:http://www.termak-polymer.com.ua/polimer/technology_1.html (Дата обращения 11.01.2016)

21. Вспененный полипропилен - новое слово в вопросе изоляции //Промышленные материалы [Электронный ресурс] URL:http://promresursy.com/materialy/polimery/polipropilen/vspenennyi.html #ixzz3wyMsq9Gkhttp://promresursy.com/materialy/polimery/polipropilen/vsp enennyi.html#ixzz3wfLpb8Ky (Дата обращения 11.01.2016)

Размещено на Allbest.ru