CC BY
31Изменение потребительских свойств в жизненном цикле полимерных материалов
о ы
а
а
«
а б
Шавва Андрей Александрович
аспирант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Shavvaand@gmail.com
В статье рассматриваются основные возможные методы переработки и утилизации основных полимерных материалов, используемых в производстве и сельском хозяйстве. Кроме применяемых технологий утилизации рассматриваются также проблемы очистки материалов от различных примесей. Помимо всего прочего, в статье представлен основной набор самых распространенных в отходах полимеров. В статье предложены методики, которые возможно применить к каждому отдельному типу полимера и полимера с примесями, которые могут возникнуть при некачественной очистки. В статье очень коротко рассматривается экологическая составляющая и экологические проблемы, которые могу возникнуть в результате вторичной переработке. В конце статьи представлены основные выводы, которые можно сделать на основе анализа материала, рассмотренного в данной научной статье. Экономическая составляющая тоже отражена в статье и относится к конкретным полимерам.
Ключевые слова: Отходы, полимеры, вторичное использование, рециклинг
Материалы и методы
С каждым годом у человечества возникает вопрос "Возможно ли вторично использовать тот или иной продукт?" Наиболее динамично развивается проблема повторного использование материалов на основе полимеров. Если же в Европейских странах этот вопрос уже неоднократно рассматривался на протяжении более чем двадцати лет, то в России направления, связанные с переработкой и вторичным использованием полимеров (пластика) является достаточно новой. Однако, благодаря мировому финансовому кризису и просто заинтересованности в экономии финансовых средств и получению дешевого ресурса, топлива, материала стал весьма ощутим за последние восемь лет. Широко стал перениматься уже отработанный опыт европейских стран в Российских реалиях.
В преобладающем большинстве европейских стран, огромное значение имеет экологическая составляющая окружающей среды, в связи с увеличением численности населения и соответственно увеличение производственной мощности промышленности, необходимо внедрять и юридически закреплять возможность вторичной переработки в частности полимерных материалов о которых говорилась ранее. В законодательстве многих европейских стран уже введено понятие раздельного сбора отходов и были применены соответствующие меры по внедрению (добавлены площадки для раздельного сбора мусора и отходов ТКО, специально оборудованные контейнеры и терминалы и т.д). Что касается Российского законодательства, то ранее были попытки внедрения раздельного сбора, но широкого распространения данная технология так и не получила. 31 декабря 2017 года президентом Российской Федерации В.В Путиным были внесены коррективы в федеральный закон "Об отходах производства и потребления" [1]
Вторичное использование пластика, это достаточно трудоемкий процесс, для реализации которого необходимо выполнить перестройку технологического процесса. Связанно это с тем,
что показатели вязкости отличаются от первоначальных, а также сами полимерные элементы имеют в себе не полимерные включения. [3]
В некоторых случаях применение вторично использованных полимеров невозможно, т.к у готовой продукции есть ряд дополнительных критериев и соблюсти их с применением именно вторичных полимеров невозможно. Поэтому чтобы поддержать равновесие от заданных свойств и итогового продукта и его показателями необходимо изучение поступающего вторичного полимера в полной мере и с высокой точностью для дальнейшего поддержания равновесие между обоими свойствами. Основная идея это, вторичное использование уже бывших в обиходе материалов. Но не стоит забывать, что как токовых полимеров имеется множество и у каждого свой химический состав. [2]
В своей статье, я рассмотрю несколько основных полимерных материалов которые возможно использовать вторично и которые наиболее распространены в отходах ТКО такие как, полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэтилена, полипропилена и полистирола.[1]
ПЭТ
Известно, что ПЭТ-это продукт со слабо изменяемыми свойствами на период эксплуатации. Благодаря чему, вторичное применение данного материала возможно и переработка будет являться достаточно легкой. Основной продукт служащий для повторного применения это: пластиковые бутылки [6]. Необходимо заметить, что повторно используемый ПЭТ гомогенизируется проще, нежели подобные вторично используемые пластмассы. В отдельных странах уже достаточно хорошо изучен подход ко вторичному использованию ПЭТ-отходов и применяются к этому процессу всё более новые технологии. Известно, что общий мировой объем утилизации и вторичного использования ПЭТ достигает 1 млн тонн каждый год. Для повторной переработки ПЭТ не включает процесс пластификации. Основные этапы, как и в прочих подобных технологиях очень просты: сортировка, отделение от других видов полимеров (ПВХ, ПЭ и д.р), измельчение, мойка и чистка от этикеток, клеев, очистка от других возможных загрязнителей, после чего агломерируются или переводятся в гранулы. Однако, в случае когда первоначально изготавливается повторно используемый ПЭТ страдает всегда одной проблемой [4], а именно: малым порогом неньютоновского поведения (это когда скорость сдвига материала оказывает влияние на изменение параметра вязкости полимера),ПЭТ чувствителен к процессу нагревания а по результату его необходимо просушивать, хотя стоит заметить, что в процессе просушивания и переработки повторный ПЭТ испытывает некоторую потерю
вяжущего свойства, что вызвано термическим и деформирующими влияниями в процессе пластикации полимера, но и нахождение иных пол-лютантов (остатков влаги, клевого материала, красителей и т. д.). [8] Эти все эти моменты влекут за собой снижение молекулярной массы полимерного продукта. В таблице 1 приведены значения прочности (а) и среднего изменения длинны (е) при разрыве образцов пленок из первичного ПЭТ и образцов уже переработанного и вторично использованного ПЭТ экструзией с предварительной сушкой и без сушки. Как показывают данные, приведенные в таблице, при плохой просушке вторичного материала, могут ухудшится его конечные покахатели.
Таблица 1
Материал а, МПа е, %
Первичный ПЭТ 40,99 368
Вторичный ПЭТ с предварительной сушкой 39 283
Вторичный ПЭТ без сушки 31,5 69,92
Дальнейшее возможное использование вторично используемого ПЭТ [9], зависит от молекулярного веса получившегося продукта. В расчёте молекулярного веса, также учитывается показатель вязкости. В таблице 2 приведен диапазон вязкости возможны для вторичного применения.
Таблица 2. Показатель вязкость ПЭТ в зависимости от
Область применения Вязкость
Намотка (волокно) 0,58-0,64
Выдув (бутылка) 0,73-0,81
Намотка (шинный корд) 0,32
Melt-blown 0.342-0.79
Экструзия (пленки) 0,48-0,75
Благодаря полученным значениям из табличных значений, можно заметить, что вторично использованные полимеры требуют совершенно различных технологий, задействованных во вторичные переработки для разных типов конечной продукции. Вторично используемый ПЭТ не универсален и не всегда может стать основой для повторного производства исходной продукции.
Ещё одно затруднение связанное с переработкой ПЭТ является возможное присутствие в отходах ПВХ. Ведь даже при детальной сортировке отходов, не исключается возможность попадания ПВХ и ПЭ и других добавок в состав вторичного материала.
В результате температурной обработки ПВХ разлагается, а выделение соляной кислоты при помощи которой происходит скоротечная деструкция полимера. Необходимо при обработке, максимально снизить содержание ПВХ примесей в теле ПЭТ отходов. Ведь допустимое со-
0 55 I» £
55 П П
9
8
о ы
а
s
«
а б
держание ПВХ в уже переработанном сырье не должна превышать 50 промилле.
В большинстве случаев отходы ПЭТ возможно применять для вторичного изготовления различных пленок, волокна и пластиковых бутылок. Реологические и механические показатели компонентов материала, вторично использованного ПЭТ позволяют применять его изготовления форм моющих средств, что представляет его хорошим аналогом ПВХ и ПЭВП. Также повторно использованный ПЭТ возможно применять для промежуточного слоя в изготовлении трехслойной аморфной пленки и при изготовлении трёхслойных ламинированных бутылок с внешним слоем из оригинального полимера. Использование смесей из первичных и вторичных ПЭТ помогает повысить показатели, повторно задействованного ПЭТ и делают его более пригодным для выдува.
Также ещё одна возможность применения ПЭТ является изготовление волокон. В процессе изготовления волокна участвуют именно те качества, которые присущи ПЭТ-у. Обычно, формирование волокна производится из основы, которая состоит преимущественного из вторичного ПЭТ т.е механические показатели вторичного ПЭТ полностью удовлетворяет критериям для изготовления волокна на основе ПЭТ. Вторичное волокно применяется в текстильном производстве и при изготовлении покрытий ковров. Чаще всего ПЭТ волокна используются для искусственного утеплителя в пошиве зимней одежды или для изготовления плисовой формы при изготовлении одежды. У вторичного волокна ПЭТ есть большое количество преимуществ по сравнению с прочими синтетическими волокнами.
Набором дополнительных преимуществ обладают волокна, выполненные из пЭт по сравнению с другими волокнами. К примеру, напольное ковровое покрытие из ПЭТ волокна во время своей эксплуатации не теряет показателей цвета материала и не нуждаются в специализированной обработки с использованием химических реагентов в которой нуждаются ковры, к примеру, из нейлона. ПЭТ возможно будут использоваться для производства полотен, которые в последующем применяются в производстве шумоизолирующих компонентов. Ещё одна возможность — это применение вторичного ПЭТ в производстве автомобильного транспорта, электроники, и фурнитуры и использованием технологии литья под давлением. [2]
Полиэтилен
Также в результате в быту и промышленности применяется другой полимер, такой как полиэтилен низкой плотности или (ПЭНП) и линейный полиэтилен (ЛПЭНП) оба этих полимера применяют при изготовлении пленки которая используется в бытовой упаковке (также пласти-
ковые пакеты, сумки и мешки и другое) а также в промышленной упаковке (к примеру, мешки, которые используются для фасовки сельскохозяйственных удобрений) все эти материалы, являются сырьем для последующей вторичной переработки. Если рассматривать подробно, то в первом случае вторичное использование возможно без особых усилий т.к качество получаемое в результате переработки крайне незначительно отличается от качества первоначального полимера, который использовался для создания готовой продукции, связанно это с коротким жизненным циклом продукта. Происходит лишь незначительная потеря качества при длительном пребывании в агрессивной среде. Регенерация самого материала происходит в период пластификации. Также, как и в случае с ПЭТ одним из факторов неудовлетворительного качества вторичного продукта, могут стать примеси других полимерных материалов, которые могут остаться при некачественной переработке. Если рассматривать промышленные упаковки, то её жизненный цикл намного дольше чем у обычных полиэтиленов. Но её вторичное использование и переработка кроев в себе несколько особенных затруднений, таких как промышленные примеси (масла и смазки) очистка от которых требует особого подхода и их не убрать при обычной "мойке" поступающего продукта. [5]
Полипропилен
Ещё один представитель вторично используемых полимеров-полипропилен. Основные продукты, которые поступают на переработку это пластиковые коробки, корпус от автомобильных аккумуляторов, бампера автомобильного транспорта и прочие пластиковые детали, полученные в результате утилизации механического транспорта. Если рассматривать какие продукции достаточно проблемно подвергаются вторичной переработки из этого материала, то это всяческая упаковочная продукция. Что касается соответствия конечного продукта, полученного в результате вторичного использования, то оно зависит от того, как поступающая на утилизацию продукция подвергалась воздействию агрессивных сред на период эксплуатации. Не стоит забывать, что чем меньше продукция подвергалась воздействию агрессивных сред, тем лучше качество переработанной продукции, что как понимаете, невозможно в современных реалиях. Достаточно редко бывает так, что пластиковые компоненты автомобильной промышленности могут быть сразу утилизированы по методу замкнутого цикла: к примеру, автомобильный концерн Renault пользовался данной технологией при производстве модели автомобиля Megane.[7]
Полистирол
Переработка полистирола сильно отличается от прочих, потому как очень незначительная
граница в стоимости переработанного вторичного материала и исходного, получаемого на производстве. Как показывает практика, вторичное использование данного материала имеет очень узкую направленность, технология которая должна быть применена к продукции требует большого финансового вложения и её окупаемость находится под большим вопросом.
Смеси из различных полимерных материалов
Методика утилизации и технологический подход в решении вопроса вторичного использования материалов состоящих из смеси различных пластиковых отходов очень сложна и трудоёмка. Качество получаемого материала представляет собой продукт с плохими химическими показателями. Вторичное применение представляет из себя достаточно узконаправленное подразделение, где не требуется от готового материала высоких показателей механических свойств.
Оборудование
Уже известны многие различные виды оборудование, техники и химических реагентов, которые позволяют очистить, раздробить, переработать, переплавить и структурировать различный по составу пластик.Есть производители отдельных видов оборудования для «рециклинга» и в СНГ L например, ОАО "Кузполимермаш" (Россия), Барановичский станкостроительный завод (Беларусь).
Вывод
На данный момент, одним из перспективных направлений переработки отходов ТКО связанным с полимерами, является переработка отходов из ПЭНП и ЛПЭНП (и других возможных полимеров) при помощи их вторичного использования возможно получать промежуточный материал для замены традиционных, например, древесных изделий. Ведь основное преимущество вторичного материала заключается в том, что полимерный материал наиболее стойкий е биологическим повреждениям, он не подвергается воздействию микроорганизмами и могут длительное время находится во влажной среде без потери своих свойств. Для ещё более высокого улучшения показателей в них могут добавляться различные инертные добавки (стружка древесная и волокна) и рынок для такой продукции очень огромен.
Литература
1. Красильникова В.Э., Русмиленко Е.Е., Шавва А.А. Воздействие на окружающую среду при обращении с трердыми бытовыми отходами (ТБО) // Наука и образование: новое время. 2017. № 5 (22). С. 7-14.
2. Бобович Б.Б., Девяткин В.В. переработка отходов производства и потребления: Справоч-
ное издание // Под ред. докт. техн. наук, проф. Б.Б. Бобовича. - М.: Интермет Инжиниринг, 2000. - 496 с
3. Утилизация твердых отходов / под ред. А.П. Цыганкова. - М.: Стройиздат, 1985. - 336 с.
4. Горбатова С.Ю., Шавва А.А., Чусов А.Н. Вторичное использование отходов металлопе-рерабатывающего производства//Молодой ученый. 2016. № 10 (114). С. 159-163.
5. Шаповалов В.М., Дубодел В.П., Злотников И.И., Хрищанович С.Ю., Пантюхов О.Е., Долга-чева М.Н., Талецкий В.В. Разработка и исследование битумно-полимерных композиций с использованием вторичных полимеров // Горная механика и машиностроение. 2016. № 4. С. 5461.
6. Ибрагимов А.М., Вахнина Т.Н., Сусоева И.В. Использование вторичных полимеров в производстве композиционных плитных материалов строительного назначения // Строительные материалы. 2018. № 1-2. С. 95-100.
7. Тертышная Ю.В., Подзорова М.В., Попов А.А. Вторичное использование полимерных материалов: смеси полиэтилен - полилактид // Экология и промышленность России. 2016. № 7. С. 22-25.
8. Шевляков А.А., Панферов В.И., Шевляков С.А., Маркин А.П. Производство композиционных материалов с использованием вторичных отходов в качестве исходного сырья // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2011. № 5. С. 79-84.
9. Гоголь Э.В., Мингазетдинов И.Х. Устройство для переработки пластмасс // В сборнике: Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2015 Сборник трудов пятого международного экологического конгресса (седьмой международной научно-технической конференции). 2015. С. 51-55.
Change in consumer properties in the life cycle of polymer
materials Shavva A.A.
Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University The main methods of processing and recycling of the main polymer materials used in production and agriculture are considered in the article. In addition to the recycling technologies used, problems of cleaning materials from various impurities are also considered. Among other things, the article presents the main set of the most common polymers in waste.The article suggests methods that can be applied to every single type of polymer and polymer with impurities, which can occur in poor-quality cleaning. The article very briefly considers the ecological component and environmental problems that may arise as a result of secondary processing. At the end of the article the main conclusions are presented, which can be made on the basis of the analysis of the material considered in this scientific article. The economic component is also reflected in the article and refers to specific polymers. Keywords: Waste, polymers, recycling References
О R U
£
R
n
9
8
1. Krasilnikova of V.E. Rusmilenko E.E., Shavva A.A. Impact on
the environment at the address with the trerdy household waste (THW)//Science and education: modern times. 2017. No. 5 (22). Page 7-14.
2. Bobovich B.B., Devyatkin V.V. processing of industrial and
consumption waste: The reference media//Under the editorship of докт. техн. sciences, prof. B.B. Bobovich. - M.: Intermet Engineering, 2000. - 496 with
3. Utilization of solid waste / under the editorship of A.P. Tsygankov. - M.: Stroyizdat, 1985. - 336 pages.
4. Gorbatova S. Yu., Shavva A.A., Chusov A.N. Recycling of waste of the metaloverworking production//the Young scientist. 2016. No. 10 (114). Page 159-163.
5. Shapovalov V.M., Dubodel V. P., Zlotnikov 1.1., Hrishchanovich S. Yu., Pantyukhov O.E., Dolgacheva M.N., Taletsky V.V. Development and a research of bituminous and polymeric compositions with use of secondary polymers//Mountain mechanics and mechanical engineering. 2016. No. 4. Page 54-61.
6. Ibragimov A.M., Vakhnina T. N., Susoyeva I.V. Use of secondary polymers in production of composite slabby materials of construction appointment//Construction materials. 2018. No. 1-2. Page 95-100.
7. Tertyshnaya Yu.V., Podzorova M.V., Popov A.A. Recycling of
polymeric materials: mixes polyethylene - nonwnaK-TMfl//Ecology and the industry of Russia. 2016. No. 7. Page 22-25.
8. Shevlyakov A.A., Panferov V.I., Shevlyakov S.A., Markin A.P.
Production of composite materials with use of secondary waste as initial raw materials//the Bulletin of Moscow State University of the wood - Lesnoy the messenger. 2011. No. 5. Page 79-84.
9. Gogol E.V., Mingazetdinov I.H. Ustroystvo for processing of
plastic//In the collection: Ecology and health and safety of the industrial and transport complexes ELPIT 2015 Collection of Works of the Fifth International Ecological Congress (seventh international scientific and technical conference). 2015. Page 51-55.
