Технология рециклинго-полимерных амортизированных изделий

Технология производства изделий из полимерных термопластичных материалов, как правило, предполагает, что некоторая доля исходного полуфабриката не будет использована. Величина этой доли, обеспечивающей процесс получения изделия (литниковые каналы, резервные емкости, приливы, продукты очистки материального цилиндра, облой и т. п.) или образующейся в результате нарушения оптимизированного режима переработки (изделия, не соответствующие требованиям нормативной документации), определяется конструктивными особенностями продукции, технологической оснастки, функциональными возможностями оборудования, опытом персонала и качеством исходных компонентов. При традиционной технологии переработки пластических масс неполное использование сырья — устоявшаяся норма, и технологические процессы получения промышленных изделий нормируют удельный расход на единицу продукции, превышающий конечную массу изделия. Общепринятый термин «технологические отходы» в ряде случаев рассматривается как неизбежный атрибут современной технологии пластмасс, обусловливающий необходимость разработки методов их переработки и повторного использования — рециклинга. Современные технологические кластеры по производству полимерных изделий методом литья под давлением, экструзии, термоформирования, раздува включают комплекс периферийного оборудования, который позволяет повысить коэффициент использования сырьевого материала до 95—98 % благодаря формированию замкнутых технологических циклов на основе микропроцессорного управления параметрами процессов подготовки, дозирования, смешивания, загрузки, переработки и упаковки. Поэтому при использовании оптимизированных конструкторско-технологических и материаловедческих решений термин «технологические отходы» претерпевает смысловое трансформирование: происходит превращение его из категории, отражающей несовершенство используемой технологии, в категорию, характеризующую степень ее оптимизации.

В современных технологических кластерах доля компонентов, затрачиваемых на обеспечение процесса формирования оптимизированного изделия, не является «технологическим отходом», т. к. используется как составляющая конечного изделия благодаря наличию специализированного периферийного оборудования, а удельный вес некондиционных изделий сведен к практически возможному минимуму. Поэтому технологические процессы многосерийного производства полимерных изделий оптимизированы не только по параметрам температуры, давления, скорости впрыска и т. п., формирующим «цикл литья», но и параметрам материалоемкости и удельного расхода сырья. Благодаря такому подходу актуальность проблемы рециклинга в современном производстве полимерных изделий значительно снижается.

Несбалансированность сферы промышленного производства и общественного потребления приводит к формированию больших объемов амортизированной и морально устаревшей продукции из полимерных материалов со значительным остаточным ресурсом. В результате актуальность проблемы рециклинга полимерных изделий непрерывно возрастает, что обусловливает необходимость разработки современных технологий получения полноценных продуктов из так называемого вторичного сырья. В современном понимании категории «технология» термин «вторичное сырье» однозначно указывает на отсутствие системного подхода к производству полимерной продукции с определенными потребительскими характеристиками в соответствии с рыночной конъюнктурой. При этом сложившееся представление о регенерированных продуктах как о сырье с более низким потребительским качеством не только не соответствует действительности, но и формирует негативное отношение потребителя к таким продуктам. Экспериментально доказан факт промышленного производства высококачественных изделий из регенерированного сырья, полученного из амортизированных РТИ, древесины, термопластов, минерального сырья и т. п. В ряде случаев при использовании регенерированного сырья возможно не только достижение характеристик изделий из исходного полимерного сырья, но и получение их принципиально нового (синергического) сочетания. Таким образом, технология полимерных материалов требует проведения системного анализа различных аспектов процессов переработки сырья, эксплуатации изделий, их рециклинга с учетом современных достижений физикохимии и материаловедения, особенностей инновационного развития социумов различного уровня.

Для исследований были выбраны амортизированные изделия на основе термопластичных полимеров — полиолефинов (ПЭНД, ПЭВД, ПП) в виде пленок и упаковочных емкостей. Данные изделия применяют на предприятиях сельскохозяйственного производства для обеспечения технологических процессов растениеводства и сохранности пищевых продуктов при хранении и транспортировании.

Оценку показателей физико-механических, теплофизических и реологических характеристик полимерного сырья, предназначенного для рециклинга, осуществляли методами ИК-спектроскопии, ДТА, рентгеноструктурного анализа, вискозиметрии с помощью общепринятых ме­тодик.

Для модифицирования базовых термопластов применяли дисперсные частицы природных силикатов и компоненты, регулирующие процессы термоокислительной деструкции и реологические характеристики регенерата.

Образцы для исследований получали методом литья под давлением и экструзии при соответствующих технологических параметрах.

Анализ исходного состава полимерных полуфабрикатов свидетельствует о наличии значительного количества включений — остатков транспортируемых продуктов, загрязнений, влаги, красителей. Поэтому при традиционной технологии рециклинга, основанной на переплаве, получали регенерат достаточно низкого качества с широким разбросом показателей служебных характеристик, как физико-механических, так и реологических. Такое качество регенерирован­ного продукта в сочетании с неконтролируемым цветом гранулята не позволяло использовать его для изготовления изделий с повышенными требованиями к эксплуатационному ресурсу и дизайну.

Разработана многостадийная технология рециклинга, обеспечивающая снижение доли низкомолекулярных загрязнений в конечном продукте и стабилизацию реологических и физико-механических показателей путем целевого модифицирования.

На стадии предплавления измельченный полуфабрикат, очищенный от механических примесей, подвергается агломерированию с получением продукта, пригодного для применения в качестве сырья для изделий общетехнического и бытового назначения. Оптимизированные режимы агломерирования обеспечивают протекание механохимических процессов, обусловливающих стабилизацию реологических характеристик полуфабриката благодаря удалению низкомолекулярных продуктов и протеканию радикальных реакций структурирования.

На второй стадии переработки агломерат подвергают многоступенчатому переплаву с ре­гулируемой интенсивностью термомеханического воздействия. Наличие в плавителе 12 зон с регулируемыми температурными и сдвиговыми параметрами позволяет осуществлять:
— последовательное удаление низкомолекулярных летучих фракций из расплава;
— гомогенизирование расплава путем усреднения фазового состава и молекулярной массы;
— фильтрацию гомогенизированного расплава на сетке с заданными параметрами ячейки.

Интенсивное механическое воздействие на расплав активизирует процессы адсорбционного взаимодействия макромолекул с активными частицами наполнителей и модификаторов. Благодаря этому в расплаве формируется пространственная сетка физических межмолекулярных связей, обусловливающая эффект стабилизации реологических характеристик.

Механизм модифицирующего действия дисперсных частиц силикатов основан на наличии нескомпенсированного заряда, связанного с особенностями кристаллохимического строения их решетки. В полученный гранулированный продукт при необходимости вводят функциональные компоненты — красители, антипирены, антиоксиданты и пластификаторы в соответствии с требованиями технического задания на композиционный материал конкретного назначения. Эффективное направление рециклинга — применение технологических кластеров, которые функционируют на основе замкнутого цикла, предотвращающего или значительно снижающего интенсивность термодеструкционных и термоокислительных процессов в объеме регенерата, что приводит к существенному повышению его качества. Разработанная технология рециклинга на основе замкнутого цикла позволяет получать гранулированный продукт высокого качества, не уступающий по ряду показателей качеству первичных аналогов, путем последовательного перманентного осуществления операций измельчения, очистки от загрязнений, сушки во взвешенном слое, переплава с дегазацией и горячего гранулирования в закрытом объеме технологического кластера при минимальном воздействии на окружающую среду.

Вариант реализации этой технологии — рециклинг термопластичных полуфабрикатов, модифицированных структурно активными высокомолекулярными компонентами, в качестве которых целесообразно использовать фрагменты ориентированных полимерных волокон, например, полученных при измельчении упаковочной тары — мешков, биг-бэгов и т. п. Благодаря восстановлению ориентированной структуры модификатора в объеме изделия формируются области с упорядоченным расположением макромолекул, повышающие их деформационно-прочностные характеристики.

На основе регенерированного сырья разработаны составы композиционных материалов повышенной прочности и с повышенной устойчивостью к горению.

Регенерат и изделия из него (напорные трубы, шланги, упаковочная тара и т. п.) производятся в промышленных масштабах по нормативной документации, зарегистрированной в установленном порядке.