CC BY
16УДК 661
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО СЫРЬЯ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
1 2 3
Дядичев В.В. , Колесников А.В. , Дядичев А.В.
ФГАОУ ВО "КФУ им. В.И. Вернадского"
Адрес: г. Симферополь, ул. Павленко, 3, корпус 2, к. 108
ГОУ ВПО «Луганский национальный университет имени Владимира Даля»
Адрес: г. Луганск, ул. Тухачевского, 11, к. 215
1e-mail mr.dyadichev@mail.ru; 2e-mail angeykav@mail.ru; 3e-mail adyadichev@mail.ru
Аннотация. Проведен анализ состава полимерных отходов, разработана многослойная полимерная структура, которая позволяет перерабатывать вторичные полимерные материалы промышленного и бытового происхождения методом соэкструзии с получением новых качественных изделий. По результатам математического моделирования разработана конструкция соэкструзионной головки, которая обеспечивает повышение качества готовых изделий.
Ключевые слова: Полимерные емкости, соэкструзия, экструдер, адгезия, реология, слой, вязкость расплава.
Введение
Увеличение количества отходов и сокращение природных ресурсов является следствием антропогенной деятельности. Отходы полимерных материалов с одной стороны являются источником загрязнения окружающей среды, а с другой стороны - дешевым сырьем для производства изделий широкого диапазона применения. Вторичное использование
пластических масс решает одновременно несколько важных задач: уменьшение загрязнения окружающей среды за счет повторного использования полимерных материалов; экономия запасов ископаемого сырья, нефти и газа, из которого производят полимеры; снижение затрат на производство энергии, необходимой для превращения сырья в материалы. Постоянный рост цен на природные ресурсы приводит к развитию технологий утилизации полимерных материалов. Ситуация, сложившаяся на сегодня в мировой экономике привела к тому, что ранее экономически невыгодные технологии вторичного использования пластмасс становятся актуальными из-за резкого повышения цен на первичное полимерное сырье.
Постановка проблемы
Отходы пластических масс разделяются на две большие группы: отходы сферы производства и отходы сферы потребления. К первой группе относят отходы производства и переработки полимерных материалов. Примером служат корки, образующиеся на стенках реакторов и фильтров, некондиционные полимеры, образцы материалов после физико-химических испытаний, литниковые отходы, брак, отходы, возникающие при запуске перерабатывающих машин и др. Вторая группа включает отходы промышленности, использующей полимеры в качестве полуфабрикатов в процессе
производства готовой продукции, и отходы бытового потребления.
Современные технологии утилизации полимерных материалов направлены на получение нового качественного изделия из отходов пластмасс, обладающего такими же свойствами, как и изделие из первичного материала. Методом, который позволяет получить такие изделия, является соэкструзии. Он обеспечивает возможность получения многослойных изделий в одну стадию с оптимальными затратами энергии и материалов; исключает применения клеев и растворителей, горячих расплавов и других компонентов для соединения; дает возможность получения многослойного полимерного материала за счет соединения очень тонких слоев, что позволяет уменьшить расход полимеров; позволяет уменьшить степень деструкции термочувствительных полимеров за счет того, что они могут быть использованы в качестве среднего слоя.
Совершенствование технологии и оборудования для переработки полимерного сырья соэкструзии является актуальной научно-практической задачей, обеспечивающей получение новых качественных изделий, ресурсо- и энергосбережение.
Цель
Совершенствование соэкструзионного оборудования и технологии переработки вторичных полимерных материалов в процессах изготовления емкостей для бытовой химии.
Методика и результаты исследования
Качество готового изделия в технологическом процессе соэкструзии определяют следующие факторы: термодинамическая совместимость полимеров; режимы экструзии,
обеспечивающие равномерное расплавление полимера каждого слоя и качественное его смешение с наполнителями; режимы соэкструзии, обеспечивающих получение качественного адгезионного соединения многослойной структуры и равномерность распределения слоя материала в головке (разнотолщинность).
Термодинамическая совместимость
полимеров определяется химической природой материала, а именно принадлежностью к группе, например, полиолефины, полиамиды, полистирол, виниловые пластики, полиакрилаты и др. Полимерные материалы, принадлежащие к одной группе, образуют прочные многослойные соединения. Для соединения несовместимых полимеров применяют адгезивы. Основные технологические параметры процесса: частота вращения шнека, температура нагревателей, давление, развиваемое экструдером. Частота вращения шнека является основным показателем величины прямого потока в экструдере, что определяет производительность машины. Размер температур по зонам нагрева в экструдере непосредственно влияет на качество полимерного расплава на выходе из экструдера. Давление, развиваемое экструдером, зависит от технологических параметров процесса (температура расплава по зонам, частота вращения шнека), свойств полимера и конструктивных параметров самого шнека. Наиболее существенным фактором, влияющим на качество готового изделия, есть режимы процесса соэкструзии, которые определяются технологическими и
конструктивными параметрами формообразующего оборудования (головки). При выборе способа совместного экструдирования и проектировании соэкструзионных головки для переработки вторичных полимерных материалов необходимо учитывать следующие факторы: значительное расхождение в реологических свойствах полимеров: от почти ньютоновской течения (например, ПА) до неньютоновской течения (например, в сополимеров акрилонитрила) необходимость тщательного контроля толщины каждого слоя для обеспечения заданных свойств многослойного материала и по экономическим соображениям; повышенную чувствительность вторичных полимеров к деструкции при высоких температурах.
При разработке схемы соэкструзионных головки для переработки вторичных полимерных материалов необходимо учитывать:
1) количество слоев полимерной структуры;
2) производительность каждого слоя (процентное соотношение слоев)
3) реологические характеристики полимерного материала;
4) технологические параметры переработки каждого отдельного слоя и многослойного материала.
Количество слоев полимерной структуры, их положение, процентное соотношение определяется назначением готового изделия, условиями эксплуатации, свойствами исходного полимерного сырья. Промышленные вторичные полимерные материалы можно определить, условно, как чистые. Они, как правило, перерабатываются впервые, содержащие незначительное количество добавок, поэтому реологические свойства такого вторичного материала не слишком отличаются от свойств первичного. Бытовые вторичные полимерные материалы - это смеси полимерных материалов с различными добавками, красителями и наполнителями. Кратность переработки таких материалов определить сложно. Свойства значительно отличаются от свойств первичного полимера. Поэтому было предложено полимерную структуру, в которой с вторичного полимерного материала формируется два средних слоя. Первый средний слой - это вторичные полимерные материалы промышленного происхождения. Второй средний слой - это вторичные бытовые полимеры. Внешний и внутренний слой структуры формируются из первичного полимерного материала. Это необходимое условие получения качественного изделия. Внутренний слой должен быть устойчив к различным химическим веществам, поскольку предлагается изготавливать полимерные емкости для бытовой химии. Внешний слой является защитным для вторичных полимеров среднего слоя и выполняет эстетическую и рекламную функцию для готовой продукции бытовой химии. Для обеспечения экономической эффективности процентное содержание средних слоев из вторичного полимера в общей структуре должно быть не менее 65-70%. Для обеспечения устойчивости к веществам, которые содержатся в продукте, толщина внутреннего слоя должна быть не менее 15-20%. Таким образом, была определена структура и состав трубчатой заготовки для изготовления емкостей для бытовой химии (табл.1).
Таблица 1.
Структура четырёхслойной полимерной заготовки
Слой Состав слоя Соотношение толщины слоев
Внешний первичный ПЭ + краситель 10%
Первый средний слой вторичный ПЭ промышленного происхождения 20%
Второй средний слой вторичный ПЭ бытового происхождения 50%
Внутренний первичный ПЭ 20%
Для получения заданной многослойной структуры была разработана соэкструзионная головка. Конструкция головки обусловлена технологией создания многослойной полимерной структуры. Реологические свойства расплавов первичного и вторичного полимерного материала
разные. Поэтому процесс формообразования каждого из слоев многослойной структуры происходит при определенных технологических параметрах. Такие условия достигаются применением технологии совместного
экструдирования, при которой каждый слой формируется в отдельном распределительном канале при определенных технологических параметрах. Предложенная конструкция
соэкструзионной головки позволяет контролировать и регулировать температуру по четырем зонам нагрева, каждая из которых соответствует отдельному слою многослойной структуры. Наличие спиральных канавок в распределительных каналах слоев, формируемых из вторичных полимерных материалов обеспечивает более равномерное распределение расплава полимера в канале головки, уменьшает разнотолщинность слоя, снижает перепад давления в канале.
Разработана методика определения реологических свойств расплава вторичного полимерного материала в широком диапазоне скоростей сдвига, что позволяет определить влияние свойств материала на перепад давления на участках распределительных каналов соэкструзионной головки. В результате экспериментальных исследований влияния температуры переработки на реологию первичного и вторичного полимерного материала получены уравнения регрессии для определения индекса течения и константы вязкости расплава. Закон течения принимает вид
¿и = (а0 + а, у + а2 • Т)-в^> • у^у+ь2Т> (1)
где ц - вязкость расплава;
Ь - коэффициент, который определяет шаг температурных кривых;
Т - температура переработки полимера; Т0 - температура плавления полимера; у - скорость сдвига; п - индекс течения расплава; а0, а1, а2, Ь0, Ь1, Ь2 - коэффициенты уравнений регрессии.
В результате совместного решения уравнений равновесия сил, действующих на элементарный объем, и уравнения неньютоновского течения получены зависимости для определения коэффициентов сопротивления каналов простой геометрии (трубный и щелевой канал). Путем применения принципа электрофизических аналогий получены зависимости для определения перепада давления в распределительных каналах соэкструзионной головки. Согласно принятому методу ступенчатой аппроксимации
распределительных каналов на участке характерной геометрии и применяя метод электрофизических аналогий, получили расчетную схему определения распределения перепада давления в каналах головки (рис.1).
др, Нл^В
Рис.1. Расчетная схема определения перепада давления в каналах головки
В результате создания математической модели получили зависимости для определения коэффициентов сопротивления данных участков распределительных каналов соэкструзионной головки, расходы расплава полимерного материала через участки, перепада давления на участках каналов и общий перепад давления в каналах головки. Математическим моделированием полученные график распределения давления по длине копильника для каждого распределительного канала соэкструзионной головки (рис.2).
Рр,М11а 0,12
0.08
0,04
— 1.....2 - - ■ .4 -
Рис. 2. Распределение давления в копильнике соэкструзионной головки
(1-внешний слой, 2-первый средний слой (промышленные вторичные полимеры), 3-второй средний слой (бытовые вторичные полимеры), 4-внутренний слой)
Форма кривой давления в конической части канала для четырех распределителей одинакова. Снижение давления является необходимым условием выравнивания скоростей потоков расплава полимера на выходе из распределительного канала. График показывает, что диапазон давления в конической части канала составляет 2,0-6,0 МПа. Это минимальное давление необходимое для
выравнивания скоростей потоков расплава на выходе. Полученные в результате моделирования давление и скорость сдвига позволили рассчитать значение максимальной линейной скорости течения потока расплава на участках канала и построить эпюры линейных скоростей (рис.3). Из графиков максимальной линейной скорости потока расплава видно, что наличие спиральных канавок дает отклонения в скоростях по потокам 18-21%, тогда как каналы первичного полимера формируют слой с отклонением скоростей потоков расплава 22-27%. Второй средний слой, состоящий из бытовых отходов полимерных материалов, является сложной композицией. Математическая модель позволяет определить влияние формообразующего зазора И и процента содержания вторичных полимеров на перепад давления в канале и разнотолщинность слоя (рис.4).
У.м/е
0.02
0.01
О Г,() 120 180
— 1 ......2---3 4
Рис. 3. Распределение максимальных линейных скоростей потоков расплава полимера (1-внешний слой, 2-первый средний слой (промышленные вторичные полимеры), 3-второй средний слой (бытовые вторичные полимеры), 4-внутренний слой)
Р, Ml la dQ. %
\ — /
\
\
\
Ь, мм
Рис. 4. Зависимость давления и разнотолщинности второго среднего слоя от формообразующего зазора (— - перепад давления, _ - разнотолщинность)
Из графика (рис.4) видно, что давление в распределительном канале обратно
пропорционально увеличивается с уменьшением формообразующего зазора. Разнотолщинность слоя имеет оптимальное значение формообразующего
зазора. Анализ полученных результатов позволил определить минимальное и максимальное значение формообразующего зазора, обеспечивающего необходимую разнотолщинность слоя и давление в распределительных каналах соэкструзионных головки.
Выводы и направления дальнейших исследований
Результаты математического
моделирования показали, что разнотолщинность не более 40% обеспечивается при содержании отходов в композиции слоя не более 75%, при этом значение давления в канале находится в рабочем диапазоне 3,0-10,0 МПа.
Список литературы
1. Дядичев В.В. Переработка отходов полимерных материалов методом соэкструзии. Монография. - Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2003. - 220 с.
2. Rauwendaal C. Polymer extrusion. - Munich: Hauser Cnarduer, 2004. - 777p.
3. Смирнов М.Г., Осетинский Л.Г. Многослойные пленки (возможности и преимущества) — М.: Упаковка. - 2002. - №4. - С. 14-15.
4. Гуль В. Е., Дьяконова В. П. Физико-химические основы производства полимерных пленок: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1978. - 279 с., ил.
5. Каган Д. Ф., Гуль В. Е., Самарина Л. Д. Многослойные и комбинированные пленочные материалы .-М.: Химия, I989. - 288 с., ил.
6. Зубов Е.Н. Структура и свойства полимерных покрытий - М.: Химия, 1986. - 267 с.
7. Калиновская Г. Д. Пути переработки отходов слоистых пластиков - Л.: Химия, 1997. - 94 с.
8. Дядичев В.В. Экструзия вторичных полимеров. - Луганск; издат-во ВНУ, 2003. - 48 с.
9. Малицкова Е.А., Потапов И.И. Переработка отходов пластмасс — М.: Авис Оригинал, 1997. -159 с.
10. Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов. Перевод с англ. Р. В. Торнера, Е. В. Закс и др., Под ред. Г. В. Виноградова. - М.: «Химия», 1965. - 747 с.
11. Экструдер для переработки вторичных полимерных материалов: патент на полезную модель RUS 156859 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015122963; заявлено 15.06.2015г.; зарегестрировано 23.10.2015г.-3с.
12. Экструдер для переработки вторичных полимерных материалов: патент на полезную модель RUS 162449 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015122964; заявлено 15.06.2015г.; зарегестрировано 23.10.2015г.-3с.
13. Экструдер для переработки термопластов: патент на полезную модель RUS 157101 /Дядичев В.В., Колесников А.В., Дядичев А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-.№2015125220; заявлено 25.06.2015г.; зарегестрировано 29.10.2015г.-3с.
14. Экструдер для переработки термопластов: патент на полезную модель RUS 154655 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и
патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015117856; заявлено
12.05.2015г.; зарегестрировано 06.08.2015г.-3с.
15. Экструдер для переработки термопластов: патент на полезную модель RUS 154542 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015117857; заявлено
12.05.2015г.; зарегестрировано 03.08.2015г.-3с.
Dyadichev V. V., Kolesnikov A. V., Dyadichev A. V.
IMPROVEMENT OF EQUIPMENT AND TECHNOLOGY PROCESSING OF SECOND POLYMERIC RAW MATERIALS FOR MAINTENANCE OF ECOLOGICAL SAFETY
Summary: The analysis of accounting automation systems was carried out; the research results of the office suite possibilities in implementation of accounting systems are introduced; an information model of accounting system was developed.
Key words : Polymeric containers, extrusion, extruder, adhesion, rheology, layer melt viscosity.
