CC BY
47УДК 66.046.51
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЭКСТРУДЕР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИКОВЫХ ОТХОДОВ
Свиридов Алексей Сергеевич, младший научный сотрудник; ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Российская Федерация
Аннотация: В работе рассмотрена концепция 3R, основанная на принципе «сокращение-повторное использование-переработка». Поднята проблема переработки и повторного использования полимерных отходов за счет применения малогабаритного экструдера для аддитивных технологий. Предложена принципиальная схема малогабаритного экструдера.
Ключевые слова: концепция 3R; пластиковые отходы; экструзия; аддитивное производство; экструдер; филамент.
SMALL-SIZED EXTRUDER FOR RECYCLING PLASTIC WASTE
Sviridov Aleksej Sergeevich, junior research assistant; FSAC VIM, Moscow, Russia
Abstract: The paper considers the concept of 3R, based on the principle of "reduction-reuse-recycling". The problem of recycling and reuse of polymer waste due to the use of a small-sized extruder for additive technologies is raised. A schematic diagram of a small-sized extruder is proposed.
Keywords: 3R concept;plastic waste; extrusion; additive manufacturing; extruder; filament.
Для цитирования: Свиридов, А. С. Малогабаритный экструдер для переработки пластиковых отходов / А. С. Свиридов. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2021. - № 1 (53). - С. 30-35. - URL: https:// nauka-bez-granic.ru/№-1-53-2021/1-53-2021/
For citation: Sviridov A.S. Small-sized extruder for recycling plastic waste // Scince without borders, 2021, no. 1 (5), pp. 30-35.
Внедрение концепции круговой экономики является наиболее востребованной в современном обществе и ведет за собой решение экологических и социальных проблем. Тем самым заменяя использующуюся ранее линейную концепцию «взять-изготовить-утилизировать» [1].
Рост населения, интенсивное использование ресурсов и неконтролируемое загрязнение окружающей среды, в том числе и пластиками, вынудили внедрить еще одну экономическую замкнутую систему, основанную на прицепах 3R «сокращение-повторное использова-
ние-переработка» (рис. 1) [2].
Пластмассы появились в нашей ежедневной жизни около 100 лет назад. Они являются незаменимыми материалами с различными свойствами и сферами применения. К их главным преимуществам можно отнести высокую механическую прочность, низкую плотность, малый вес, простоту обработки и достаточно низкую стоимость [3]. Благодаря этим преимуществам пластики нашли широкое применение в производстве упаковки, автомобильной промышленности, электроэнергетике, строительстве и
Рисунок 1 - Концепция 3R
транспорте, а также в медицине, сельском хозяйстве и в набирающем популярность последние несколько лет аддитивном производстве.
Наряду с достаточно обширным перечнем преимуществ у пластмасс есть и немаловажный недостаток. Их повсеместное применение и распространение является источником огромного количества отходов, утилизация которых является серьезной проблемой как в России, так и в мире [4]. Во многих странах пластиковые отходы не обрабатываются и вывозятся на свалки. Площадь свалок ограничена, и количество хранимых пластмасс растет с каждым годом [5]. Ужесточение правил обращения с отходами необходимо для своевременной рекуперации материалов и энергосбережения в соответствии с требованиями концепции 3R.
В рамках переработки пластиковых отходов существует множество методов и технологий: повторная экструзия, механическая переработка, а также повторное использование химических веществ или использование
термических методов, генерирующих энергию (сжигание, пиролиз, газификация и т.д.) [6, 7, 8]. К перспективному методу переработки материалов для повторного использования в аддитивном производстве относится повторная экструзия. В качестве сырья, как правило, используются РЕТ-отходы (бутылки, пресс-формы, пленки, ленты и т.д.), предварительно измельченные и очищенные от различного рода загрязнений [9, 10].
Переработку РЕТ-отходов условно можно разделить на механическую, химическую и термическую. Наиболее распространенной и экономически выгодной является механическая. К основным ее этапам относятся:
Подготовительная работа. По возможности отходы должны собираться уже в отсортированном виде, не смешиваясь с другими полимерами и различными загрязняющими объектами. Особенно тщательно должны отсекаться отходы, содержащие ПВХ, так как они даже в незначительном количестве могут вызвать материальную деградацию и даже повредить
оборудование. Наиболее подходящим объектом для переработки является спрессованная кипа из однородного цвета.
Промывка. Для очистки полимерных отходов существуют специализированные стиральные машины периодического действия. Промывка осуществляется в водном растворе моющего средства с добавлением трина-трийфосфата, соотношение которых не должно превышать 1:2. Основным фактором при очистке полимерных отходов должно быть соблюдение условия возможности утилизации промывочного материала в сточные воды.
Переработка. Наиболее востребованным способом переработки PET-от-ходов для вторичного использования является измельчение кип в гранулы, которые могут быть в дальнейшем использованы для литья под давлением или экструзии филамента для 3D-M-чати по технологии FDM. Для измельчения обычно используют дробилки, которые подбираются в зависимости от необходимой производительности и способа выгрузки сырья.
Предлагается применение малогабаритного экструдера для изготовления материала под технологию 3D-M-чати FDM (рис. 2). Экструдер будет представлять собой цилиндрический корпус (1), на который установлен бункер (2) со шкалой дозирования. Корпус планируется изготавливать из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Также на корпус будет установлен керамический нагреватель (4) из нержавеющей стали с номинальным напряжением 220 В. Он позволит осуществлять плавление подаваемых в экструдер термопластичных вторичных гранул, содержащих в себе дискретные волокна различ-
ной величины, с высокой производительностью, что важно для получения равномерного диаметра филамента по всей его длине. В корпусе будет предусмотрено место для установки фильтра перед попаданием расплава к сменной фильере (5). Фильеры будут выполнены из латуни. Равномерное вращение шнека планируется достичь за счет применения привода с передаточным отношением 15:1. К основным техническим характеристикам такого типа малогабаритного экструдера для переработки вторичных материалов можно отнести:
- температура нагревателя - до 320 градусов Цельсия;
- погрешность температуры -2-3 градуса Цельсия;
- сменные фильеры - под диаметр 1,75 и 2,85 мм;
- отклонения по диаметру филамен-та в пределах от -0,25 до +0,25мм;
- производительность в пределах от 0,3 до 1,5 кг/ч в зависимости от используемого материала.
Принцип действия технологии FDM заключается подготовке CAD-модели, предварительно оптимизированной в специализированный G-код. Модель изготавливается путем экструзии термопластичного полимера с образованием слоев по мере затвердевания материала после выдавливания из сопла. Филамент подается из катушки в нагретое сопло за счет использования шагового двигателя с определенной частотой вращения. Оно перемещается как в горизонтальном, так и вертикальном направлении с помощью механизма с числовым программным управлением, тем самым подавая расплавленный полимерный материал, формирующий бедующее изделие.
Использование PET-пластика в
Рисунок 2 - Малогабаритный экструдер: 1 - корпус; 2 - привод; 3 - бункер; 4 - керамический нагреватель; 5 - сменная фильера
3D-печати объясняется доступной стоимостью по сравнению с другими типами полимеров, а также возможностью создания изделий для пищевой промышленности. Не маловажным фактором применение РЕТ-пласти-ка является возможность трехмерной печати на 3D-принтерах «начального уровня». Где, как правило, отсутствует нагревающаяся платформа и камера принудительного нагрева. Кроме того, данный тип полимера обладает химической устойчивостью к воздействию щелочей, кислот, органических растворителей; низким коэффициентом трения; высокой жесткостью и твердостью; нерастворимостью в воде и т.д. Основным требованием к РЕТ-пласти-ку относится его обязательное хранение в сухом месте [11]. Сырость может
изменять физико-механические свойства этого филамента, в результате чего пластик начинает «кипеть» при экструзии.
Несмотря на предложенное решение рециклинга полимерных отходов, концепция круговой экономики на данный момент - это теория, которая ждет своего воплощения за счет внедрения экономичных технологий переработки пластмасс. Аддитивное производство с использованием РЕТ-отходов пластиков является новым, потенциальным решением с максимально возможной степенью будущей реализации.
Статья подготовлена в рамках гранта по программе «УМНИК» от «Фонд содействия инновациям», договор №14634ГУ/2019.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александрова, В. Д. Современная концепция циркулярной экономики / В. Д. Александрова. - Текст : непосредственный // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2019. - №5-1.
2. Гидиятуллина, И. И. Переработка полимерных отходов экструзией / И. И. Гидия-туллина. - Текст : непосредственный // В сборнике: Инновационные подходы к ре-
шению проблем «Сендайской рамочной программы по снижению риска бедствий на 2015-2030 годы». Сборник материалов международной научно-практической конференции. - 2018. - С. 236-237.
3. Шибаев, П. Б. Прогнозирование физических и механических свойств полимерных материалов / П. Б. Шибаев, Р. О. Сироткин, О. С. Сироткин. - Текст : непосредственный // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2006. - №9-10.
4. Гоголь, Э. В. Анализ существующих способов утилизации и переработки отходов полимеров / Э. В. Гоголь, И. Х. Мингазетдинов, Г. И. Гумерова, О. С. Егорова, С. А. Мальцева, И. Г. Григорьева, Ю. А. Тунакова. - Текст : непосредственный // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №10.
5. Фейзуллаева, Р. Э. Системный анализ проблемы роста пластиковых отходов и их отрицательного воздействия на экологию / Р. Э. Фейзуллаева. - Текст : непосредственный // Современные проблемы территориального развития. - 2019.
6. Терлыч, А. Е. Экспериментальное исследование и анализ процесса экструзии /
A. Е. Терлыч, Н. М. Труфанова, А. Г. Щербинин. - Текст : непосредственный // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления.
- 2013. - №7.
7. Ишалина, О. В. Анализ методов переработки отходов полиэтилентерефталата /
0. В. Ишалина, С. Н. Лакеев, Р. З. Миннигулов, И. О. Майданова. - Текст : непосредственный // Производство и использование эластомеров. - 2015. - №3.
8. Попов, В. С. Анализ возможности получения брикетированного топлива из отходов пиролиза автошин с использованием связующего - вторичного полимера /
B. С. Попов, А. В. Папин, А. Ю. Игнатова. - Текст : непосредственный // Вестник КузГТУ. - 2016. - №1 (113).
9. Денисов, В. А. Сравнительные испытания на износостойкость слоистых полимеров с добавлением армирующих волокон / В. А. Денисов, Е. Ю. Кудряшова, И. В. Романов, Е. О. Рещиков. - Текст : непосредственный // Труды ГОСНИТИ. - 2018. - Т. 132.
- С. 164-175.
10. Лопатина, Ю. А. Оценка возможности применения 3D-печати филаментом из вторичного сырья для изготовления деталей сельскохозяйственных машин и оборудования / Ю. А. Лопатина, А. С. Свиридов, А. И. Плохих. - Текст : непосредственный // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. - 2019. - № 10. - С. 58-64.
11. Свиридов, А. С. Обоснование условий хранения термопластиков / А. С. Свиридов, К. А. Краснящих. - Текст : непосредственный // Наука без границ. - 2018. - № 5 (22).
- С. 69-72.
REFERENCES
1. Aleksandrova V.D. Sovremennaya koncepciya cirkulyarnoj ekonomiki [Modern concept of circular economy]. International Journal of Humanities and Natural Sciences, 2019, №5-1.
2. Gidiyatullina I.I. Pererabotka polimernyh othodov ekstruziej [Processing of polymer waste by extrusion]. In the collection: Innovative Approaches to Solving the problems of the Sendai Framework for Disaster Risk Reduction 2015-2030. Collection of materials of the international scientific and practical conference, 2018, pp. 236-237.
3. Shibaev P. B., Sirotkin R.O., Sirotkin O.S. Prognozirovanie fizicheskih i mekhanicheskih svojstv polimernyh materialov [Prediction of the physical and mechanical properties of polymer materials]. Izvestiya VUZov. Energy problems, 2006, №9-10.
4. Gogol' E.V., Mingazetdinov I.H., Gumerova G.I., Egorova O.S., Mal'ceva S.A., Grigor'eva
1.G., Tunakova Yu.A. Analiz sushchestvuyushchih sposobov utilizacii i pererabotki
othodov polimerov [Analysis of existing methods of recycling and recycling of polymer waste]. Bulletin of the Kazan Technological University, 2013, №10.
5. Fejzullaeva R.E. Sistemnyj analiz problemy rosta plastikovyh othodov i ih otricatel'nogo vozdejstviya na ekologiyu [Systematic analysis of the problem of plastic waste growth and its negative impact on the environment]. Modern problems of territorial development, 2019.
6. Terlych A.E., Trufanova N.M., Shcherbinin A.G. Eksperimental'noe issledovanie i analiz processa ekstruzii [Experimental investigation and analysis of the extrusion process]. Bulletin of the PNRPU. Electrical engineering, information technology, control systems, 2013, №7.
7. Ishalina O.V., Lakeev S.N., Minnigulov R.Z., Majdanova I.O. Analiz metodov pererabotki othodov polietilentereftalata [Analysis of methods for processing polyethylene terephthalate waste]. Production and use of elastomers, 2015, № 3.
8. Popov V.S., Papin A.V., Ignatova A.Yu. Analiz vozmozhnosti polucheniya briketirovannogo topliva iz othodov piroliza avtoshin s ispol'zovaniem svyazuyushchego - vtorichnogo polimera [Analysis of the possibility of obtaining briquetted fuel from tire pyrolysis waste using a binder-a secondary polymer].Bulletin of KuzSTU, 2016, № 1 (113).
9. Denisov V.A., Kudryashova E.YU., Romanov I.V., Reshchikov E.O. Sravnitel'nye ispytaniya na iznosostojkost' sloistyh polimerov s dobavleniem armiruyushchih volokon [Comparative tests for wear resistance of layered polymers with the addition of reinforcing fibers]. Proceedings of GOSNITI, 2018, Vol. 132, pp. 164-175.
10. Lopatina Yu.A., Sviridov A.S., Plohih A.I. Ocenka vozmozhnosti primeneniya 3D-pechati filamentom iz vtorichnogo syr'ya dlya izgotovleniya detalej sel'skohozyajstvennyh mashin i oborudovaniya [Evaluation of the possibility of using 3D printing with recycled filament for the manufacture of parts of agricultural machinery and equipment]. Agricultural machinery: maintenance and repair, 2019, № 10, pp. 58-64.
11. Sviridov A.S., Krasnyashchih K.A. Obosnovanie uslovij hraneniya termoplastikov [Justification of storage conditions for thermoplastics]. Science without Borders, 2018, № 5 (22), pp. 69-72.
Материал поступил в редакцию 22.01.2021
© Свиридов А.С., 2021
