CC BY
33УДК 678.027.3:691.175
И.А. Яблуновский, А.О. Рогожников
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: iliya12345xs@gmail.com
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО СЫРЬЯ
МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ
Качественная переработка вторичного сырья на основе полимерных отходов имеет большое экологическое и экономическое значение. В качестве наиболее перспективного метода переработки вторичных полимеров рассматривается метод экструзии, позволяющий получить качественный и востребованный вторичный продукт в виде филамента для 3D-печати. Разработка и внедрение таких компактных и эффективных перерабатывающих комплексов требует всестороннего анализа технологии переработки и особенностей организации данного производства. В статье рассмотрены основные виды экструдеров и проведен анализ их исключительных свойств, обращается внимание на возможность существенно улучшить экологическую обстановку. Описаны основные режимы работы экструдера и базовые условия применения данной технологии в лабораторных условиях.
Ключевые слова: переработка пластика, экструдер, вторичная переработка, метод экструзии.
I.A. Yablunovski, A.O. Rogozhnikov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamcharsky, 683003 e-mail: iliya12345xs@gmail.com
ANALYSIS OF THE TECHNOLOGY FOR SECONDARY POLYMER RAW MATERIALS
PROCESSING BY EXTRUSION METHOD
High-quality processing of secondary raw materials based on polymer waste is of great environmental and economic importance. The extrusion method is considered as the most promising method for processing secondary polymers, which makes it possible to obtain a high-quality and popular secondary product in the form of a filament for 3D printing. The development and implementation of such compact and efficient processing complexes requires a comprehensive analysis of the processing technology and the specifics of the organization of this production. The main types of extruders and their exceptional properties, which draws attention to the possibility of significantly improving the environmental situation are discussed. The main operating modes of the extruder and the basic conditions for the use of this technology in laboratory conditions are described.
Key words: plastic recycling, extruder, secondary processing, extrusion method.
На современном этапе развития технологий переработки пластика при правильном подходе к утилизации пластиковых отходов можно добиться высокой эффективности различных форм предпринимательской деятельности, связанной с подготовкой и реализацией актуальных проектов в области переработки бытовых пластиковых отходов. Таким образом, усовершенствованные модели организационной деятельности способствуют созданию новых и улучшению старых методов и способов любых технологических процессов. Переработка пластика в наши дни имеет широкую научную и практическую базу и играет важную роль в формировании экологического облика современного производства и обеспечения безопасности окружающей среды [1, 2].
Для того чтобы переработать пластиковые отходы и изготовить высококлассную нить для 3D-пе-чати в условиях небольшой лаборатории, следует разобраться в принципах работы и понятии устройства, основанного на методе экструзии. Экструдер - устройство для переработки пластиковых отходов путем их измельчения и нагревания и последующего преобразования в готовый материал [3].
Схема технологического процесса экструзии и общий вид типового устройства экструдера представлены на рис. 1.
Рис. 1. Общая схема типового экструдера
Принцип работы современного экструдера можно разделить на несколько этапов, где первым будет являться загрузка ранее измельченного пластика в загрузочную воронку. Далее пластик из воронки попадает в нагревательную камеру, в которой он в процессе плавки и под действием шнека превращается в однородную массу. Стоит отметить важные функции шнека, а именно под его действием сырье уплотняется, что будет способствовать однородности готовой нити для печати. На выходе через формирующий инструмент - фильеру - получится готовая нить определенного диаметра и сечения (рис. 1). Чтобы не повредить горячую нить на выходе из сопла, необходимо применять охлаждение. После этого нить проходит через узел протяжки, тем самым нити придается стабильное сечение. И завершающим этапом является намотка уже готовой нити на катушку, виток к витку для компактного хранения [4].
Для реализации представленной технологии разработана конструкция типового экструдера. Самым значимым элементом данного устройства является шнек, приводимый в действие электродвигателем с номинальным напряжением 220 В через червячные редукторы. Шнек должен быть изготовлен из прочной и твердой стали, а также должен иметь высокую теплопроводность и теплоемкость. Это обуславливается тем, что рабочие температуры варьируются в районе 300 градусов Цельсия. Корпус экструдера выполняется из стальной трубы, внутренний диаметр которой совпадает с диаметром шнека (рис. 1). Далее корпус разделяется на загрузочную и нагревательную часть, которые, в свою очередь, разделены термобарьером [5, 6].
Загрузочная часть (бункер загрузки) является сварной конструкцией, состоящей из трубы, имеющей паз, в который устанавливается воронка для загрузки измельченного пластика. Нагревательная часть представляет из себя стальную трубу, на конце которой имеется резьба для накручивания втулки с фильерой. Рядом с ней располагается нагревательный элемент с номинальным напряжением 220 В. В нагревателе установлен датчик температуры, служащий для регулировки, так как разные пластики требуют разных температур.
После фильеры располагается технологический узел контроля провисания нити, который работает в паре с узлом протяжки. Данный узел позволяет стабилизировать диаметр прутка, выходящего из фильеры. Горячая нить провисает под собственным весом, выходя из фильеры. При этом чем больше она провисает, тем толще ее диаметр, и соответственно, при более интенсивном натяжении нити механизмом узла протяжки диаметр нити уменьшается.
После того как горячий пруток выходит из зоны провисания нити, следует зона охлаждения, в этой зоне пластик затвердевает и принимает окончательную форму. Эффективность технологического процесса зависит от организации системы охлаждения и обогрева. Охлаждение, как правило, бывает двух видов - это жидкостное и воздушное. Водяное охлаждение обеспечивается подачей холодной воды во внутренние полости шнека. Такая система включает в себя насос, теплообменник, охладитель, расширительный резервуар, фильтры по всему контуру охлаждения, контрольно-измерительные приборы. Воздушный же способ, являющийся на данный момент самым распространенным, представляет из себя обычный вентилятор, обдувающий необходимые элементы для охлаждения. Далее остывшая нить попадает в узел протяжки, в котором происходят движение нити, а также контроль ее провисания. Узел контроля протяжки представляет собой, как правило, стойку с валами, между которыми проходит нить, как показано на рис. 2.
Завершающим этапом будет являться намотка стабильной нити на катушку. Барабан намотки обеспечивается датчиком равномерной намотки нити без запутывания. Важно плотно намотать нить на катушку и не спутать ее, так как эта же катушка будет установлена на 3D-принтер для изготовления необходимых деталей. Общий вид барабана намотки представлен на рис. 3.
Рис. 2. Схема узла контроля протяжки нити
Рис. 3. Общий вид барабана намотки
Отдельно следует рассмотреть подготовку материала к процессам переработки. Перед переработкой следует тщательно вымыть перерабатываемый материал, удалить всю грязь и пыль. На перерабатываемом пластике не должно оставаться наклеек, винтов, пружин и т. д. Пластик, покрытый снаружи лаками или красками, нельзя допускать к переработке, так как это приведет к многочисленным засорам фильеры. Крупные части пластика дробятся на более мелкие. Идеально подготовленный пластик к переработке должен быть размером с гранулы [7].
Лучшими пластиками для переработки являются пластики маркировок «1», «2», «4», «5», где полиэтилентерефталат - PETE (1); высокоплотный полиэтилен - PEHD или HDPE (2); низкоплотный полиэтилен - LDPE или PEBD (4); полипропилен - PP (5). Остальные типы пластиков не подлежат переработке, а если и подлежат, то их переработка становится более трудоемкой и более ресурсозатратной. Пластики вышеперечисленных маркировок используются для изготовления пищевых бутылок, а также бутылок бытовой химии, одноразовой посуды, стаканчиков и т. д.
Все эти бытовые отходы могут быть переработаны в нить для печати, из которой современные принтеры могут напечатать детали практически любой формы и сложности. Внедрение повсеместного использования экструдеров существенно улучшит экологическую и экономическую ситуацию, в том числе (учитывая уровень загрязнения Мирового океана) и в области эксплуатации морского транспорта [8-11].
Таким образом, разработка и внедрение высокоэффективного экструдера имеет большое практическое значение. Во-первых, данная технология позволяет обеспечить востребованным расходным материалом для 3D-печати учебные и научные лаборатории, сократить затраты на реализацию проектов. Во-вторых, доступность расходного материала расширяет возможности применения 3D-печати, обеспечивает доступность данной технологии на всех этапах научной, учебной, технической и творческой деятельности. И в-третьих, немаловажным фактором является частичное решение проблемы переработки пластиковых отходов и тем самым повышение экологической безопасности окружающей среды. Приобретение опыта разработки и внедрения установок данного типа в технологический процесс будет способствовать развитию и совершенствованию методов переработки вторичного полимерного сырья в качественную востребованную продукцию. Кроме того, важным фактором реализации данной технологии становится возможность эффективного материально-технического обеспечения проектной и научной деятельности курсантов мореходного факультета в ходе учебного процесса.
Литература
1. Кричковская М.П., Белов О.А. Оценка возможности снижения количества пластиковых пакетов в составе ТБО (на примере г. Петропавловска-Камчатского) // Наука, образование,
инновации, пути развития: Материалы Х Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 26-28.
2. Белов О.А., Швецов В.А. К вопросу о повышении экологической безопасности судов при долговременном стояночном режиме // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2018. - С. 119-121.
3. Свиридов, А.С. Малогабаритный экструдер для переработки пластиковых отходов // Наука без границ. - 2021. - № 1 (53). - С. 30-35.
4. Исаков К.С., Гарматий Н.И., Соболева Л.В. Система производства материала для 3Б-печати из переработанного пластика // Завалишинские чтения: сборник докладов XVII Меж-дунар. конф. по электромеханике и робототехнике (12-14 апреля 2022 г.) - СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2022. -С.170-172.
5. Яворский Ю.И., Власенко О.М. Разработка автоматизированной системы управления процессом экструзии // Инновационное развитие техники и технологий в промышленности (ИНТЕКС-2020): Материалы Всерос. науч. конф. молодых исследователей с междунар. участием. - М., 2020. - С. 136-139.
6. Маковский А.И. Рациональное использование вторичных пластиков путем их рециклинга в филамент для 3D-печати // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы XIII Междунар. науч. конф. аспирантов и студентов (16-17 апреля 2019 года). - Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2019. - С. 209-212.
7. Березкин И.С. Проблемы переработки пластиковых отходов и теоретическое обоснование создания альтернативных технологий переработки пластика // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2016. - № 2 (57). - С. 37-41.
8. Белов О.А. Техническое обеспечение морских судов как фактор эффективной и безопасной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Четвертой междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2022. - С. 5-9.
9. Белов О.А., Зайцев С.А. К вопросу оценки безопасности морских судов Камчатского флота // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы X Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 80-83.
10. Белов О.А. Аналитический обзор факторов эффективной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - Ч. 1. - С. 5-9.
11. Белов О.А., Белова Е.П. Инженерное образование как фактор развития техники и технологий // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Х Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 106-108.
