CC BY
131
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 669
В.Д. Кукушкин, В.Г. Семенов, О.М. Смирнов, С.А. Тулупов
ЭФФЕКТИВНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ПЭТ: СОЗДАНИЕ НОВОГО СЕМЕЙСТВА КОМПОЗИТОВ
Одной из актуальных экологических проблем , стоящих перед современной цивилизацией, является утилизация вторичного полиэтилен-терефталата (ПЭТ), который не разлагается естестве иным путем. Его накопление в виде отходов (бутылки, одноразовая посуда, различного вида тара и т.д.) составляет ежегодно только в России порядка 2...Змлнт. Проблема утилизации ПЭТ пока не имеет эффективного решения ни в одной стране мира. Известные пути решения этой проблемы, такие как дробление отходов ПЭТ и захоронение их в землю или использование дроб -ленки в качестве наполнителя в изделиях из бетона, не могут рассматриваться как экономически эффективные решения. Сжигание ПЭТ приводит, как известно, к выделению в атмосферу целого ряда токсичных продуктов, в частности диоксина. Повторное использование ПЭТ по прямому назначению путем нагрева измельченных отходов и формовки из них различных из -делий приводит к его постепенной деградации, выражающейся в существенном снижении потребительских свойств получаемой продукции.
Попытка более эффективно решить эту проблему привела авторов, основавших некоммерче-ское партнерство ЦЕНТР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИННОВАЦИЙ «ТЕХНОЛОГИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» (ЦНИИ «ТЭН-КОМ»), к идее использовать для утилизации ПЭТ технологию производства композиционных мате -риалов (композитов) и получения из них изделий различного назначения. Развитие многих отраслей техники, включая машиностроение, электротехнику и электронику, строительство, производство товаров народного потребления, связано с исполь-зованием широкой гаммы композитов. Композиты характеризуются типом их матрицы. Наибольшее распространение получили в настоящее время неорганические композиты, имеющие матрицу либо металлическую (ММК), либо керамическую (КМК). Эти композиты принадлежат к относи-
тельно дорогим материалам, технология их производства достаточно сложна и используются они преимущественно для тяжело нагруженных изделий ответственного назначения.
Вместе с тем принцип, лежащий в основе создания композиционных материалов, уже давно и с успехом используется при утилизации! твердых органических отходов, прежде всего, отходов де -ревообработки. Наиболее известным в этой области продуктом является древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты. Хорошо известны и недостатки этих материалов, используемых в основном для производства мебели и внутренней отделки жилых помещений: во-первых, синтетические связующие (как правило, фенолформаль-дегвдные и карбамидные смола), испаряясь, отрицательно влияют на здоровье человека и, во-вторых, эти материалы весьма гигроскопичны и, поглощая влагу, быстро теряют свои функциональные свойства и внешний вид.
В последние годы получает распространение новый класс органических композитов - экологически чистые древесно-полимерные материалы (пат. РФ № 2106242, 2106245, 2106961). В качестве связующего компонента в этих материалах используются вторичные низкотемпературные термопластики (полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а наполнителем служат отходы деревообработки. Эти материалы свободны от отме-ченных выше недостатков древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит. Они с успехом могут использоваться не только для внутренней, но и для наружной облицовки жилых строений, включая кровельное покрытие. Технология их производства сравнительно проста, прежде всего, потому, что температура плавления полиэтилена не превышает температуру начала обугливания древесины (200-220°С), что позволяет легко смешивать эти компоненты и прессовать их при темпе -ратуре не выше 200°С.
Принципиальной особенностью технологии получения таких композитов является использо-
вание возможности прочной адгезионной связи между полимером и древесным наполнителем. Под влиянием температуры и давления растительные материалы, содержащие целлюлозу и лигнин, соединяются с рас плав ленным термопластиком и образуют гомогенный материал высокой прочности, из которого можно прессовать изделия любой формы.
Существует несколько способов производ-ства этих материалов:
- Сухой способ: низкотемпературный термопластик, например полиэтилен, дробится до фракции 0,3 мм, далее его смешивают с древесными опилками размером до 3 мм, смесь прессуют при температуре 170°С и давлении 25 МПа и охлаждают.
- Механотермический способ: смешение
производят при температуре 140°С, далее смесь раскатывают в вальцах в полотно при температуре 130°С, потом дробится и прессуется при температуре 170°С.
- Непрерывный способ: в этом случае применяется экструзия. Опилки (влажность 25%) и термопластик (фракция 0,3 мм) смешиваются, после этого экструзией через плоскощелевую головку при темпера -туре до 220°С и давлении 0,85 МПа изготавливают плоские листы. Охлаждение происходит при давлении 0,35 МПа.
При изготовлении древесно-полимермых ма-териалов важным является процентное содержание наполнителя (опилок) в связующем материале (полимере). Как показали исследования, оно
Рис.1. Схематехнологического процесса производства и переработки ПЭТМК
должно составлять не более 60%. При более высоком содержании наполнителя наблюдается ухудшение характеристик материала: снижение прочности и влагостойкости. Таким образом, утилиза -ция отходов полиэтилена не представляет серьезной проблемы. Кроме того, этот материал способен к медленному саморазложению.
Несравненно более сложную проблему создала в последнее время утилизация полиэти-ленгерефталата (ПЭТ), из которого, как известно, в большом количестве производят пленку, бутылки для напитков, одноразовую посуду, упаковку, контейнеры и т.д. ПЭТ относится к синтетическим полимерам; он является продук-том поликонденсации этиленгликоля с терефта-левой кислотой. ПЭТ обладает отличными потребительскими характеристиками: он прочен, износостоек, является хорошим диэлектриком. Вместе с тем, температура плавления ПЭТ (260°С) существенно превышает температуру начала обугливания древесины, что до недавнего времени считалось непреодолимым препятствием для прямого использования в этом случае описанного выше принципа утилизации вторич-ного полиэтилена.
Авторам настоящей статьи удалось реализовать способ утилизации ПЭТ, отвергнутый по причине различия температур плавления ПЭТ и начала обугливания древесины. Разработанный технологический процесс (рис. 1) близок к сухому способу получения древесно-полимерных материалов на основе полиэтилена и представляет собой следующую последовательность операций:
- предварительное измельчение вторичного ПЭТ и материала-наполнителя (в первую очередь, древесные опилки);
- тщательное перемешивание и нагрев смеси до определенной температуры, выше температуры размягчения ПЭТ;
- деформирование под действием необходимого, достаточно высокого давления в подогретом до оптимальной температуры штампе с последующей выдержкой под давлением и охлаждением.
В результате получается изделие заданной формы и с заданным уровнем свойств. При этом обугливание древесных опилок удается остановить на ранней стадии процесса в результате обволакивания частиц древесины расплавленным ПЭТ, предотвращающего дальнейший контакт древесины с кислородом воздуха.
На основе такой технологической схемы ЦНИИ «ТЭНКОМ» была разработана пилотная технология получения семейства новых дешевых композитов. В качестве матрицы используются
твердые промышленные и бытовые отходы, содержащие ПЭТ, а наполнителем являются древесные опилки и другие отходы деревообрабатыва-ющего производства, отходы текстильного производства , отходы пищевой промышленности типа подсолнечной лузги и т.д. Наряду с органическими наполнителями сделаны удачные попытки ис -пользования в качестве наполнителей неорганических материалов, многие из которых также относятся к твердым отходам. Обнадеживающие результаты показали такие наполнители, как кварцевый песок, стекольный бой, измельченный гра-вий, измельченный мрамор, бой кирпича, пыле -видная зола ТЭЦ и т.д. Полученные композиты на основе отходов ПЭТ (ПЭТМК) могут содержать один! или несколько наполнителей из числа пере -численных выше твердых отходов и природных материалов. Последние в значительной степени определяют основные механические, электрические , физико-химические И! другие функциональ -ные свойства ПЭТМК. Функциональные свойства ПЭТМК материалов формируются в зависимости от их фракционного состава, температуры и давления их спрессовывания. Эти зависимости пред -ставляют предмет дальнейших исследований
Полученные таким способом композиты имеет высокую прочность и твердость (часто на уровне мягкой стали или меди), повышенное сопротивление истиранию, очень низкую гигроскопичность , низкую теплопроводность и электропроводность. Производимые из них изделия при необходимости (с целью повышения их прочности) могут быть армированы стальной сеткой или прутковой арматурой. С учетом такого комплекса свойств эти материалы представляются весьма перспективными для использования в машиностроении, строительстве, электротехнической промышленности и некоторых других отраслях.
Наиболее существенной особенностью этой разработки является использование не первичного, а вторичного ПЭТ. Он используется в ввде мелкоизмельченных бывших в употреблении изделий из ПЭТ (бутылок, одноразовой посуды
и т.д.) или отходов производства этих изделий. Разработка технологии производства ПЭТМК материалов и изделий! из них успешно решает проблему уничтожения ПЭТ отходов, которая является в настоящее время одной из важнейших проблем защиты окружающей среды.
В настоящее время реализованы технологические процессы производства из смеси ПЭТ с различными наполнителями (древесные опилки, битое стекло, гравий, песок и т.д.) уникальной черепицы (рис. 2), долговечной тротуарной плитки, декоративного кирпича, стеновых блоков и пане -лей, абразивов, сборных дренажных труб и многих других изделий. Основные изделия авторами запатентованы (сввдетельства РФ на полезную модель № 21785, 21793, 21794, 21795). В перспективе намечается разработка технологических процессов производства электротехнических материалов и изделий, шпал для метрополитена, дорожных покрытий и пр.
Технология производства изделий различного назначения на основе ПЭТ, как отмечалось выше, представляет собой сложный многоступенчатый процесс, включающий подготовку и нагрев сухой смеси, формование и охлаждение готовых изделий. Эта технология может быть реализована как в ввде автономного производ-ства, так и в комплексах с мусороперерабатывающими предприятиями, ТЭЦ и другими центрами генерации или сбора твердых отходов.
Важной особенностью ПЭТМК материалов и изделий из них является их крайняя дешевизна, так как образующие их компоненты относятся к
Рис. 2. Кровельный элемент (черепица), изготовленный из ПЭТМК
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПЭТМК
(в зависимости от материала наполнителя):
Модуль упругости (испытание на сжатие) 350...1000 М Па
Предел прочности на сжатие 50.75 М Па
Твердость (ШВ) 60.80
Плотность 1,2.1,8 г/см3
Теплопроводность 0,13.0,21 Вт/м • К
Водопоглощение не более 0,6%
Морозостойкость не менее 200 циклов
твердым бытовым и промышленным отходам. Они значительно дешевле традиционных аналогов, удовлетворяют требованиям безопасности и экологической чистоты, а само производство ПЭТМК материалов и изделий из них открывает новые перспективы в решении проблем очистки окружающей среды от твердых органических и неорганических отходов, их утилизации и развитии ресурсосберегающих технологий.
Разработанный ЦНИИ «ТЭНКОМ» технологический модуль, занимающий площадь около 500 м2 вместе со складскими помещениями, позволяет перерабатывать более 13 000 т сырья в год и получать 500-600 тыс. м2 строительных матери-
алов различного назначения. Пуск линии в экс -плуатацию позволяет организовать новые рабочие места: при работе в одну смену - 16, при работе в две смены - 25 рабочих мест.
Привлекательность проекта заключается еще и в том, что его размещение возможно в любом относительно крупном промышленном центре России, так как каждый из этих центров обладает достаточным количеством полигонов для твердых отходов, т.е. гарантированной сырьевой базой для данного проекта, а это позволяет пре -дельно минимизировать транспортные расходы на поставку сырья.
