CC BY
71
УДК 678
Р. А. Ихсанов, Л. А. Зенитова, В. В. Янов
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА С ДОБАВЛЕНИЕМ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ НЕОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: композиционный полимерный материал, экструзия, вторичное сырье.
Приводятся результаты экспериментов по добавлению вторичного полимерного материала в первичный материал в различных пропорциях. Рассмотрены вопросы экономической целесообразности производства изделий неответственного назначения из вторичных полимерных материалов. Предложен вариант технологической схемы производства полимерной композиции с добавлением вторичных материалов.
Keywords: composite polymeric material, extrusion, secondary raw materials.
Experimental results for adding second polymeric material to the primary material in various proportions. The issues of economic feasibility of production of products of irresponsible assignment of secondary polymeric materials. A variant of the technological scheme ofproduction of the polymer composition with the addition of recycled materials.
Введение
На сегодняшний день полимерная промышленность развивается достаточно высокими темпами. Её характерным признаком является опережающее развитие производства
термопластичных материалов, которое составляет около 70% от общего мирового объёма производимых пластмасс (трубы для прокладывания кабелей, дренажных систем и т.п.) [1, 2]. Одним из сопутствующих эффектов бурного роста промышленности пластмасс является
одновременное увеличение количества отходов в виде отработанных изделий, вышедших из эксплуатации [3].
Отходы полимеров являются серьезным источником загрязнения окружающей среды, и большинство стран ведут работы по созданию эффективных процессов их утилизации и обезвреживания. Во многом это связано и с тем, что полимерные отходы являются перспективным вторичным сырьем, которое может служить как для получения изделий и композиций, так и в качестве источника топливных ресурсов [4].
При этом можно выделить следующие основные направления:
- повторная переработка отходов или использование их в различных композициях;
- термическое разложение с получением целевых продуктов;
- термическое обезвреживание с регенерацией выделяемой теплоты.
Из всех перечисленных методов наиболее привлекательным является повторная переработка полимерных отходов с целью их использования в полимерных композициях (ПК). В первую очередь это материалы общетехнического назначения: полиэтилен, полипропилен, полистирол и его сополимеры, поливинилхлорид и др., мировое производство которых насчитывает десятки миллионов тонн. При этом темпы роста объемов их производства 3-4% в год. Наибольший объем производства базовых термопластов приходится на полиэтилен (ПЭ).
В настоящее время ПЭ производят на 140 заводах, принадлежащих 114 фирмам. США принадлежат более 40% мировых мощностей ПЭ, Японии - около 7%. В России крупнейшими производителями ПЭ являются ПАО «Казаньоргсинтез» (г.Казань), ПАО
«Нижнекамскнефтехим» (г.Нижнекамск), ООО «Ставролен» (г. Буденновск), ОАО «Газпром нефтехим Салават» (г.Салават). Мощности по производству ПЭ на разных предприятиях составляют от 25 до 400 тыс. т/год [5].
В связи с вышеизложенным, целью работы была оценка возможности использования отработанных изделий из ПЭ для получения ПК, которые могут применяться для изготовления изделий неответственного назначения, имеющих более низкую себестоимость по сравнению с таковыми, изготовленными из первичного сырья.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служили отработанные изделия из полиэтилена низкого (ПЭНД) и высокого давления (ПЭВД), а также первичный ПЭНД марки ПЭ2НТ11-9 производства ПАО «Казаньоргсинтез».
В табл. 1 представлены некоторые свойства ПЭ, который был использован в экспериментах. ПК получали методом смешения в расплаве при температуре 230оС на роторном смесителе «Брабендер» в различных соотношениях. Смешение проводилось в течение 10 мин при скорости вращения роторов 30 об/мин. Первичной мерой оценки являлся показатель текучести расплава (ПТР), с помощью которого оценивали технологичность переработки полимерного материала. Значение ПТР должно быть близко по величине к значению данного параметра для ПЭ трубной марки ПЭ2НТ11-9, т.к. ПК предполагается использовать для получения изделий неответственного назначения (трубы для прокладывания кабелей, дренажных систем и т.п.).
Определение ПТР проводили на экструзионном пластометре UGT-7100-MI (производство Gotech, Тайвань) при температуре 190оС и нагрузке 5кг.
Таблица 1 - Свойства используемых в экспериментах марок полиэтилена
Наименование показателей ПЭНД марки 276-73 ПЭВД марки 15803020 ПЭНД марки ПЭ2НТ11-9
1. Плотность, кг/м3 956-961 917-922 959-967
2. Показатель текучести расплава, г/10 мин 2,6-3,2 1,5-2,5 0,1-0,4
3. Разброс показателя текучести расплава в пределах партии, не более % ±10 ±6 ±10
4. Количество включений, не более шт. 5 2 2
5. Прочность при разрыве, не менее МПа 27,4 11,3 17,0
6. Относительное удлинение при разрыве, не менее % 700 600 750
Образцы для физико-механических испытаний готовили методом литья под давлением на лабораторной литьевой машине при температуре 230оС. Физико-механические испытания проводили на универсальной испытательной машине иА1-7000М (производство Gotech, Тайвань) при скорости движения подвижного зажима 100 мм/мин на образцах типа 1.
Обсуждение результатов
В ходе проведенных экспериментов, нами были определены реологические характеристики полученных ПК. В табл. 2 приведены экспериментально полученные значения ПТР при различном содержании составляющих ПК
Таблица 2 - Влияние содержания вторичного материала в полимерных композициях на значение показателя текучести расплава
Композиция ПТР, г/10 мин Содержание в % масс.
ПЭ 27673 ПЭ 15803020 Первичный ПЭ2НТ11-9
1 1,0-1,1 30 50 20
2 0,5-0,6 40 30 30
3 0,7-0,6 20 40 40
4 0,7 50 30 20
5 0,3 20 30 50
Контроль 0,1-0,6 - - 100
Из данных табл. 2 следует, что наиболее близкой по показателю ПТР является композиция №5 с содержанием первичной марки ПЭ2НТ11-9 в ПК 50 % масс, однако данный вторичный материал
является наиболее дорогостоящим, поэтому применение данных композиций экономически не целесообразно. Наибольший экономический эффект можно получить при использовании в качестве добавки самого дешевого отхода - полиэтиленовой пленки (до 50мас.%). Однако значение ПТР у данной композиции достаточно высок (1,0-1,1г/10мин), следовательно, переработка данной композиции в изделия будет затруднена.
Учитывая технологичность и экономичность ПК, оптимальной является композиция №2, значение ПТР которой составляет 0,5-0,6г/10 мин при следующем соотношении:
ПЭНД 276-73 - 40 м.ч. ПЭВД 15803-020 - 30 м.ч.; ПЭ2НТ11-9 - 20 м.ч.
При сравнении полученной ПК с паспортными показателями ПЭ2НТ 11-9 можно видеть, что основные характеристики данной ПК несколько ниже по сравнению с показателями ПЭ2НТ11-9, однако для изготовления изделий неответственного назначения данная композиция применяться может.
Технологическая блок-схема получения агломерата из отработанной пленки на основе ПЭ приведена на рис. 1.
Рис. 1 - Блок-схема получения агломерата из отработанной пленки
Отработанная пленка сортируется, исключается стрейч-пленка, крупные частицы, бумажные наклейки. Затем пленка отправляется на линию мойки водой, где с помощью перфорированных лопастей в промышленной ванне подвергается очистке от мелких загрязнений(песок, камни, пыль), которые оседают на дно и затем удаляются. Далее по конвейерному транспортеру пленка подается в дробилку, где она рубится на мелкую фракцию размерами от 5 мм до 2-3 см (агломерат). Из дробилки полученный агломерат направляется в центрифугу. Процесс центрифугирования длиться до 10 мин, после этого готовый агломерат упаковывается и взвешивается.
Технология получения дробленой фракции из канистр представлена на рис.2.
Рис. 2 - Блок-схема фракции из канистр
получения дробленой
Канистры загружаются в шредер, в котором они дробятся на фракцию размером от 2 см до 6-7 см, затем шредерованный материал отправляется на мойку в ванну с теплой водой, где с помощью перфорированных лопастей он перемешивается и
ополаскивается. С помощью ленточного транспортера с перфорированными лепестками измельченный материал отправляется в дробилку. Раздробленный материал фракции от 5 мм до 23 см подается в центрифугу. Из центрифуги пневмотранспортом раздробленный материал отправляет в бункер, из которого засыпается в тару, расположенную на весах.
Третий компонент, первичный ПЭНД марки ПЭ2НТ11-9, используется без обработки.
Взвешивание компонентов
Подача в бункер экструдера.
Охлаждение стренга
СыешнЕанне Загрузка шнековым загрузчиком
Экструзия Получение стренги
Нарезка гранулы Взвешивание и фасовка
Рис. 3 - Блок-схема грануляции дробленного материала
Раздробленные канистры, пленка и первичные гранулы ПЭНД взвешиваются на весах при соотношении композиции №2 и загружаются в миксер для смешиваются в течение 5-7 минут. Из миксера готовая смесь отправляется шнековым дозатором для подачи полимерной смеси в одношнековый экструдер, где она расплавляется и перемешивается. Температура формующей головки экструдера 130-1900С. Из головки экструдера выходят стренги, которые охлаждаются в ванне, заполненной водой. После ванны стренги подаются в стренгорезку, из которой выходящие гранулы ссыпаются в бункер. Из бункера гранулы с
© Р. А. Ихсанов - студент КНИТУ; В. В. Янов - доц. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ; Л. А. Зенитова -проф. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ, zenit@kstu.ru.
© R. A. Ikhsanov - student of KNRTU; V. V. Yanov - Ph.D, associate professor of Department of Synthetic Rubber Technology of KNRTU; L. A. Zenitova - Ph.D, professor of Department of Synthetic Rubber Technology of KNRTU, zenit@kstu.ru.
помощью пневмотранспорта подаются в следующий бункер, из которого они дозируются в тару (биг-бег), расположенную на весах.
Каждая партия выпускаемой ПК более 500кг подвергается выходному контролю качества готовой продукции.
Выводы
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что наиболее перспективной для дальнейших исследований является полимерная композиция на основе первичного материала ПЭ2НТ11-9 с добавлением равных количеств полиэтилена низкого давления марки 276-73 и высокого давления марки 15803-020.
Литература
1. Вторичные ресурсы: проблемы, перспективы, технология, экономика: Учеб. пособие / Г.К. Лобачев, В.Ф. Желтобрюхов и др.; Волгоград, 1999. 180 с.
2. Галибеев, С.С. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен тенденции и перспективы/ С.С. Галибеев, Р.З. Хайруллин, В.П. Архиреев// Вестник Казанского технологического университета. -2008. -№2. -С.50-55.
3. Алексеев, Е.И. Перспективы использования биодеградируемых полимерных материалов для производства гибкой упаковки/ Е.И.Алексеев, Р.З.Хайруллин, В.В.Янов // Вестник технологического университета. -2015. -Т.18. -№15. -С.187-188.
4. Вторичное использование полимерных материалов / Под ред. Е.Г. Любешкиной. М., 2005, 192 с.
5. Фридман М.Л. Специфика реологических свойств и переработки вторичных полимерных материалов: Пути повышения эффективности использования вторичных полимерных ресурсов: Тез. докл. I Всесоюзн. конф. 1995. Ч. 1. С. 73.
