Подробнее об экструдерах

Экструдер состоит из нескольких основных узлов: корпуса, оснащенного нагревательными элементами; рабочего органа (шнека, диска, поршня), размещенного в корпусе; узла загрузки перерабатываемого материала; силового привода; системы задания и поддержания температурного режима, других контрольно-измерительных и регулирующих устройств. По типу основного рабочего органа (органов) экструдеры подразделяют на одно - или многошнековые (червячные), дисковые, поршневые (плунжерные) и др.

Первые экструдеры были созданы в 19 в. в Великобритании, Германии и США для нанесения гуттаперчевой изоляции на электрические провода. В начале 20 в. было освоено серийное производство экструдеров. Примерно с 1930 экструдеры стали применять для переработки пластмасс; в 1935-37 паровой обогрев корпуса заменили электрическим; в 1937-39 появились экструдеры. с увеличенной длиной шнека (прототип современного экструдера), был сконструирован первый двухшнековый экструдер. В начале 1960-х гг. были созданы первые дисковые экструдеры.

Наибольшее распространение в промышленности получили шнековые (червячные) экструдеры. Захватывая исходный материал (гранулы, порошок, ленту и др.) из загрузочного устройства, шнек перемещает его вдоль корпуса. При этом материал сжимается [давление в экструдере достигает 15-50 Мн/м2 (150-500 кгс/см2], разогревается, пластицируется и гомогенизируется. По частоте вращения шнека экструдеры подразделяются на нормальные (окружная скорость до 0,5 м/мин) и быстроходные (до 7 м/мин); по конструктивному исполнению - на стационарные и с вращающимся корпусом, с горизонтальным или вертикальным расположением шнека. Существуют экструдеры со шнеками, осуществляющими не только вращательное, но и возвратно-поступательное движение. Для эффективной гомогенизации материала на шнеках устанавливают дополнит, устройства (зубья, шлицы, диски, кулачки и т. д.). Получают распространение планетарно-вальцевые экструдеры, у которых вокруг центрального рабочего органа (шпинделя) вращается несколько (4-12) дополнит, шнеков. Принцип действия дискового экструдера основан на использовании возникающих в упруго-вязком материале напряжений, нормальных к сдвиговым. Основу конструкции такого экструдера составляют 2 плоско-параллельных диска, один из которых вращается, создавая сдвиговые и нормальные напряжения, а другой неподвижен. В центре неподвижного диска имеется отверстие, через которое выдавливается размягченный материал. Дисковые экструдеры обладают более высокой пластицирующей и гомогенизирующей способностью, чем шнековые, но развиваемое ими давление формования ниже. Поэтому используют их главным образом как смесители-грануляторы или для подготовки материала перед загрузкой в шнековый экструдер. Преимуществами дискового и шнекового экструдеров обладает комбинированный экструдер с независимыми приводами шнека и диска. Поршневой экструдер из-за низкой производительности используют ограниченно, в основном для изготовления труб и профилей из реактопластов.

Экструзионная головка состоит из обогреваемого корпуса, который крепится к экструдеру, и формующего инструмента с отверстием, например в виде сужающейся к центру щели (при получении листов, плёнок) или кольцевого канала (при изготовлении труб или других изделий круглого сечения).

Современные экструдеры - автоматизированные установки, производительность которых достигает 3-3,5 т/ч. Доля термопластичных полимерных материалов, перерабатываемых в экструрерах, колеблется в разных странах в пределах 30-50%.

Детали экструдера



Экструзионная головка

Экструзионная головка состоит из обогреваемого корпуса, который крепится к экструдеру, и формующего инструмента с отверстием, например в виде сужающейся к центру щели (при получении листов, плёнок) или кольцевого канала (при изготовлении труб или других изделий круглого сечения) Непременным условием является наличие спирального раздатчика (статического смесителя расплава)

Экструзионная головка устроена таким образом, что имеется возможность регулировки положения дорна относительно фильеры. Разумеется температурный режим зон нагрева головки должен строго контролироваться и поддерживаться на заданном уровне.

Спиральный раздатчик

(смеситель расплава полимера)

Спиральный раздатчик это предпоследняя зона головки экструдера.

Из центрального канала после прохождения фильтра экструдера расплав подается в спиральный раздатчик (статический смеситель), представляющий собой цилиндр с неподвижным дорном, поверхность которого имеет спиралевидные канавки. Часть расплава следует в раздатчике по канавкам дорна, другая часть расплава наползает поверх спиральных канавок дорна и движется поступательно вдоль оси дорна - так осуществляется окончательная гомогенизация смеси

Так же конструкция спирального раздатчика обеспечивает подачу воздуха внутрь пленочного пузыря для его раздува.

Основное требование к спиральному раздатчику это отсутствие мертвых зон

Активатор поверхности пленки (корона)

Незаменимое устройство при производстве гибкой упаковки. Одно из многочисленных применений активатора - улучшение поверхностных адгезионных свойств пластиковых, пленочных материалов для воспрепятствования отмарыванию краски при дальнейшей печати на них. Еще одно ее применение - улучшение адгезионных свойств различных материалов (бумага, фольга, пленочные материалы и т. п.) при производстве композиционных многослойных материалов методом каширования (попарное склеивание материалов при помощи однокомпонентных и/или двухкомпонентных клеев) или экструзионного ламинирования (склеивание материалов горячим расплавом полиэтилена или полипропилена), а также при производстве самоклеющихся скотч-лент (нанесение одностороннего/двухстороннего клеевого покрытия на материал).

Активаторы различаются по: мощности, ширине, возможности односторонней/двухсторонней фиксированным или гибко изменяющимся ширинам обработки поверхности (наличие одного или нескольких монолитных электродов для фиксированных типоразмеров «коронирования» или составных электродов ламельного типа) ряду конструктивных особенностей, облегчающих чистку устройства, его сервисное обслуживание. Выбор активатора зависит от технологического процесса, в котором устройство должно применяться, типа обрабатываемого материала, его ширины, толщины, температурного состояния и скорости движения обрабатываемого материала.

Горячий нож

Для получения двух и более рукавов пленки на одном экструдере одновременно используется так называемый горячий нож. Горячий нож устроен не сложно, но его необходимо правильно соориентировать относительно движущегося рукава. Что-б оба рукава выходили одинаковой ширины и сварной шов был бы достаточно крепок. В случае если горячий нож устанавливается на экструдер с однопостовым намотчиком, неизбежно применение бананового вала. Горячий нож позволяет увеличить выход продукции(рукава) практически вдвое. Ввиду того, что экструдер имеет определенный предел по толщине пленки. И причем этот предел сдвигается в сторону уменьшения при увеличении ширины рукава. Из вышесказанного следует что горячий нож экономически очень выгоден. Горячий нож позволяет получать тонкую узкую пленку на экструдерах со сравнительно большим диаметром шнека.



Шнек

Прежде всего шнек должен обеспечивать высокую производительность и отличную гомогенизацию (качество смешения) расплава перерабатываемой полимерной композиции. Сам по себе шнек не может служить готовым и единственным решением для получения высококачественной пленки. Неспроста существует общепризнанный технический термин «шнековая пара», подразумевающий неразрывное единение собственно шнека и материального цилиндра экструдера. Под этим термином обычно подразумевается и довольно сложная система регулирования по нескольким отдельным зонам температуры - за счет работы нагревателей и охлаждающих устройств, конструкция зоны загрузки твердого гранулята, конструкция упорного подшипника, воспринимающего осевую нагрузку противодавления при вращении шнека и конструкцию соединения экструдера с экструзионной головкой, включающей фильтрующий узел. Кроме того, конструкция распределительных каналов в экструзионной головке также оказывает влияние на производительность экструзионной установки в случае применения шнека определенной конструкции. Не в последнюю очередь следует учитывать и реологические свойства расплава перерабатываемой полимерной композиции. Поэтому при оптимизации подбора и расчета геометрии каналов шнека для переработки конкретного типа полимерного сырья необходимо принимать во внимание все конструктивные особенности экструзионной установки в комплексе.

Узел тиснения экструдера

Узел тиснения экструдера необходим прежде всего для придания пленке некоторой жесткости и товарного вида. Пленка, имеющая тиснение, на ощупь кажется значительно толще той же пленки, но без тиснения. Это и определяет необходимость установки вала тиснения на экструдерах, применяемых для переработки полиэтилена низкого давления.

Конструктивно узел тиснения представляет собой собственно вал тиснения (с нанесенным рельефом), и прижимаемый к нему обрезиненный шлифованный вал.

Иногда узел тиснения объединяют с вытяжным устройством. Общий обрезиненный вал (ведущий). Вал тиснения прижимается сверху к резиновому валу, а полированный стальной вал вытяжки прижимается сбоку. Разумеется оси всех валов параллельны.

Для прижима валов используются пневмоцилиндры (реже-пружины) Пневматика позволяет регулировать силу прижима в очень широких пределах с помощью редуктора давления.

На более менее продвинутых экструдерах объединенный узел тиснения-вытяжки может перемещаться вверх вниз в некоторых пределах с помощью дополнительного винтового привода и электродвигателя. Этим достигается возможность корректировки ширины пленки без использования поддува, что снижает количество брака (отходов)

Узел вращения головки экструдера

Вращение головки позволяет распределить регулярные неровности пленки, при этом качество рулона повышается без повышения качества самой пленки. Тем не менее это очень важно для работы сварочных, упаковочных автоматов и флексографских линий, поэтому узел вращения, несмотря на его высокую стоимость, приходится устанавливать.

Узел вращения состоит из пары редукторов, электродвигателя, приводных шестерен, подшипникового узла и уплотняющего узла

Поскольку давление и температура расплава полимера внутри узла вращения очень велико, предотвращение утечек является сложной технической задачей. Правильно спроектированная головка должна обеспечивать равномерный выход однородной и равномерно нагретой полимерной массы из формующей щели. Она не должна иметь так называемых застойных зон, в которых полимер со временем начинает закоксовываться, что приводит к разрывам пленки в процессе экструзии. Течение расплава полимера очень сложно рассчитать. При переходе на новые типоразмеры пленок часто бывает целесообразным заменить формующие элементы - дорн и матрицу (другое название - мундштук).Говоря об узлах вращения, следует упомянуть о том, что существуют различные системы, характеризующиеся типом вращения: непрерывным и осциллирующим. При непрерывном вращении корпуса головки, питание всех трех нагревателей осуществляется при помощи коллектора со щетками. При чем система тепловой автоматики вращается вместе с корпусом головки. Поэтому коллектор делается простой (всего две дорожки).В случае осциллирующего вращения, когда головка поворачивается приблизительно на 300 градусов то в одну, то в другую сторону, все электрические коммуникации выполняются из мягких эластичных проводов. И первая, и вторая системы полностью удовлетворяют основную цель - равномерная намотка и соответствующий вид рулона. И в том, и в другом случае необходим периодический осмотр систем. Для узла в осциллирующим вращением требуется более тщательный осмотр, которому подвергаются прежде всего: концевые выключатели, подводящие эластичные кабели и система подачи кабеля, если таковая имеется. Выход из строя хотя бы одного из элементов может привести к серьезным поломам, вплоть до полного ремонта системы тепловой автоматики, обслуживающей головку. Поэтому система осциллирующего вращения головки требует к себе несколько более пристального внимания со стороны обслуживающего машину персонала.

Фальцовочное устройство экструдера

В процессе производства полиэтиленовых пакетов "Майка" пленочный рукав перед намоткой в рулон необходимо фальцевать.

Создание фальцев и осуществляется фальцовочным устройством, установленным перед вытяжными валами экструдера.

Конструктивно устройство представляет собой пару сужающихся кверху клиньев (ледоколов), которые своими верхними концами вдавливают пленочный рукав к центру.

Положение фальцев регулируется регулировочными винтами. Необходимым условием нормальной работы является отсутствие люфтов в креплениях фальцовочного устройства.

Вытяжное(тянущее) устройство экструдера

Вытяжное устройство экструдера представляет собой пару валов (обрезиненный вал и металлический шлифованный вал), пару пневноцилиндров (прижатие валов) а так же приводной электродвигатель с редуктором.

Электродвигатель может быть постоянного тока, а может быть асинхронным. Предпочтение следует отдавать асинхронному приводу с управлением по частоте.

В качестве регулятора скорости выступает преобразователь частоты подходящей мощности.

В некоторых конструкциях экструдеров вытяжное устройство выполнено конструктивко в одном узле с устройством тиснения.



Намотчик экструдера

Для производства высококачественных пленок очень важно поддерживать постоянство натяжения пленки и соблюдать точную геометрию бобины. Намотчик должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к современному оборудованию, и обеспечивать:

- автоматическое слежение за необходимым натяжением пленки и коррекция натяжения с помощью электроники,

- поддерживание требуемого усилия прижима при контактной намотке,

- возможность применения для намотки бобин картонных цилиндров с увеличенным диаметром - 73 и 148 мм.

Гамма намотчиков включает в себя как намотчики с одной, так и с двумя станциями, как с односторонним, так и с двусторонним съемом готовой продукции. Намотка может производиться всеми мыслимыми способами: как с постоянным, так и с регулируемым усилием прижима, или вообще при отсутствии механического контакта между наматываемой бобиной и прижимного вала намотчика. Встречается даже функция реверса, благодаря чему можно легко изменить направление намотки, в результате чего наружный слой может оказаться как снаружи, так и внутри бобины. Диапазон ширины пленочного тракта намотчиков варьируется от 500 до 4000 мм.

Кольцо обдувочное

Основным конструктивным элементом системы охлаждения является охлаждающее кольцо. Оно состоит из распределительной камеры, образованной верхней и нижней губками кольца, экрана и коллектора. Основные типы колец: стационарные и вращающиеся. Угол наклона выходной щели кольца определяет интенсивность охлаждения и стабильность рукава. Он регулируется в диапазоне от 0 до 90°. При выборе размеров распределительной камеры и каналов кольца важно согласовать предельную скорость обдува с гидравлическим сопротивлением кольца. Наиболее равномерный поток создается во вращающихся кольцах. Для стабилизации положения рукава используют аэродинамический эффект. Сущность его состоит в локальном снижении давления. Это достигается за счет увеличения скорости течения воздуха в зазоре между элементами кольца и поверхностью рукава. Положение оптимального зазора определяется формой экрана. Стабилизация пленочного рукава осуществляется за счет аэродинамического эффекта струи позволяя в 2 - 2,5 раза увеличить скорость обдувающего пленку воздуха и соответственно во столько же раз увеличить интенсивность охлаждения

Вспомогательное оборудование

В производстве пленки из полиэтилена и полипропилена нижеперечисленное оборудование играет не последнюю роль хотя мы и отнесли его к разделу вспомогательного. Это такие приспособления как горячий нож, пневмозагрузчик, дозатор, компрессор и пр..

Без вспомогательного оборудования в принципе невозможно никакое основное производство.





Гранулирование — это совокупность физико-химических и физико-механических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенных размеров, формы, структуры и физических свойств. В общем случае гранулирование включает в себя следующие технологические стадии: подготовку исходного сырья, дозирование и смешение компонентов; собственно гранулообразование (агломерация, наслаивание, окатывание, кристаллизация, уплотнение и др.); формирование структуры (сушка, термостатирование, полимеризация и др.); сортировка (разделение частиц по размерам) и дробление крупных фракций с последующим выделением товарного продукта.

1.Состояние и перспективы развития вторичной переработки, гранулирования и утилизации полимерных материалов.

Одним из наиболее осязаемых результатов антропогенной деятельности является образование отходов, среди которых отходы пластмасс занимают особое место в силу своих уникальных свойств.

Пластмассы – это химическая продукция, состоящая из высокомолекулярных, длинноцепных полимеров. Производство пластических масс на современном этапе развития возрастает в среднем на 5…6 % ежегодно и к 2012 г., по прогнозам, достигнет 250 млн. т. Их потребление на душу населения в индустриально развитых странах за последние 20 лет удвоилось, достигнув 85…90 кг, К началу второго десятилетия как полагают эксперты, эта цифра повысится на 45…50 %.

НАСЧИТЫВАЕТСЯ ОКОЛО 150 ВИДОВ ПЛАСТИКОВ, 30 % ИЗ ИХ – ЭТО СМЕСИ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ. ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕННЫХ СВОЙСТВ, ЛУЧШЕЙ ПЕРЕРАБОТКИ В ПОЛИМЕРЫ ВВОДЯТ РАЗЛИЧНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ, КОТОРЫХ УЖЕ БОЛЕЕ 20, А РЯД ИЗ НИХ ОТНОСЯТСЯ К ТОКСИЧНЫМ МАТЕРИАЛАМ. ВЫПУСК ДОБАВОК НЕПРЕРЫВНО ВОЗРАСТАЕТ. ЕСЛИ В 1980 Г. ИХ БЫЛО ПРОИЗВЕДЕНО 4000 Т, ТО К 2010 Г. ОБЪЕМ ВЫПУСКА ВОЗРОС УЖЕ ДО 7500 Т, И ВСЕ ОНИ БУДУТ ВВЕДЕНЫ В ПЛАСТИКИ. А СО ВРЕМЕНЕМ ПОТРЕБЛЯЕМЫЕ ПЛАСТИКИ НЕИЗБЕЖНО ПЕРЕХОДЯТ В ОТХОДЫ.

ОДНИМ ИЗ БЫСТРОРАЗВИВАЮЩИХСЯ НАПРАВЛЕНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАСТМАСС ЯВЛЯЕТСЯ УПАКОВКА.

Из всех выпускаемых пластиков 41 % используется в упаковке, из этого количества 47 % расходуется на упаковку пищевых продуктов. Удобство и безопасность, низкая цена и высокая эстетика являются определяющими условиями ускоренного роста использования пластических масс при изготовлении упаковки.

Такая высокая популярность пластмасс объясняется их легкостью, экономичностью и набором ценнейших служебных свойств. Пластики являются серьезными конкурентами металлу, стеклу, керамике. Например, при изготовлении стеклянных бутылей требуется на 21 % больше энергии, чем на пластмассовые.

Но наряду с этим возникает проблема с утилизацией отходов, гранулирования, которых существует свыше 400 различных видов, появляющихся в результате использования продукции полимерной промышленности.

В наши дни, как никогда прежде, люди нашей планеты задумались над огромным засорением Земли непрерывно возрастающими отходами пластиков. В связи с этим, учебное пособие восполняет знания в области утилизации и вторичной переработки пластиков с целью возврата их в производство и улучшения экологии в РФ и в мире.

2 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Из всех выпускаемых пластиков 41 % используется в упаковке, из этого количества 47 % расходуется на упаковку пищевых продуктов. Удобство и безопасность, низкая цена и высокая эстетика являются определяющими условиями ускоренного роста использования пластических масс при изготовлении упаковки. Упаковка из синтетических полимеров, составляющая 40 % бытового мусора, практически вечна - – она не подвергается разложению. Поэтому использование пластмассовой упаковки сопряжено с образованием отходов в размере 40…50 кг/год в расчете на одного человека.

В России предположительно к 2013 г. полимерные отходы составят больше одного миллиона тонн, а процент их использования до сих пор мал.

Учитывая специфические свойства полимерных материалов – они не подвергаются гниению, коррозии, проблема их утилизации носит, прежде всего, экологический характер. Общий объем захоронения твердых бытовых отходов только в Москве составляет около 4 млн. т в год. От общего уровня отходов перерабатывается только 5…7 % от их массы. По данным на 2010 г. в усредненном составе твердых бытовых отходов, поставляемых на захоронение, 8 % составляет пластмасса, что составляет 320 тыс. т в год.

Однако в настоящее время проблема переработки отходов полимерных материалов обретает актуальное значение не только с позиций охраны окружающей среды, но и связана с тем, что в условиях дефицита полимерного сырья пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом.

Вместе с тем решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды, требует значительных капитальных вложений. Стоимость обработки и уничтожения отходов пластмасс примерно в 8 раз превышает расходы на обработку большинства промышленных и почти в три раза – на уничтожение бытовых отходов. Это связано со специфическими особенностями пластмасс, значительно затрудняющими или делающими непригодными известные методы уничтожения твердых отходов.

Использование отходов полимеров позволяет существенно экономить первичное сырье (прежде всего нефть) и электроэнергию.

Проблем, связанных с утилизацией полимерных отходов, достаточно много. Они имеют свою специфику, но их нельзя считать неразрешимыми.

Однако решение невозможно без организации сбора, сортировки и первичной обработки амортизованных материалов и изделий, гранулирования; без разработки системы цен на вторичное сырье, стимулирующих предприятия к их переработке; без создания эффективных способов переработки вторичного полимерного сырья, а также методов его модификации с целью повышения качества; без создания специального оборудования для его переработки; без разработки номенклатуры изделий, выпускаемых из вторичного полимерного сырья.

Отходы пластических масс можно разделить на 3 группы:

А) технологические отходы производства и гранулирования, которые возникают при синтезе и переработке термопластов. Они делятся на неустранимые и устранимые технологические отходы. Неустранимые – это кромки, высечки, обрезки, литники, облой, грат и т. д. В отраслях промышленности, занимающихся производством и переработкой пластмасс, таких отходов образуется от 5 до 35 %. Неустранимые отходы, по существу, представляющие собой высококачественное сырье, по свойствам не отличаются от исходного первичного полимера. Переработка его в изделия не требует специального оборудования и производится на том же предприятии. Устранимые технологические отходы производства образуются при несоблюдении технологических режимов в процессе синтеза и переработки, т. е. это – технологический брак, который может быть сведен до минимума или совсем устранен. Технологические отходы произ водства перерабатываются в различные изделия, используются в качестве добавки к исходному сырью и т. д.;

Б) отходы производственного потребления и гранулирования – накапливаются в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, используемых в различных отраслях народного хозяйства (амортизованные шины, тара и упаковка, детали машин, отходы сельскохозяйственной пленки, мешки из-под удобрений и т. д.). Эти отходы являются наиболее однородными, малозагрязненными и поэтому представляют наи больший интерес с точки зрения их повторной переработки; Этим и занимается компания Профф Лайн

В) отходы общественного потребления, которые накапливаются у нас дома, на предприятиях общественного питания и т. д., а затем попадают на городские свалки; в конечном итоге они переходят в но вую категорию отходов – смешанные отходы.

Наибольшие трудности связаны с переработкой и использованием смешанных отходов. Причина этого в несовместимости термопластов, входящих в состав бытового мусора, что требует их постадийного выделения. Кроме того, сбор изношенных изделий из полимеров у населения является чрезвычайно сложным мероприятием с организационной точки зрения и пока еще у нас в стране не налажен.

Основное количество отходов уничтожают – захоронением в почву или сжиганием. Однако уничтожение отходов экономически невыгодно и технически сложно. Кроме того, захоронение, затопление и сжигание полимерных отходов ведет к загрязнению окружающей среды, к сокращению земельных угодий (организация свалок) и т. д.

Однако и захоронение, и сжигание продолжают оставаться довольно широко распространенными способами уничтожения отходов пластмасс. Чаще всего тепло, выделяющееся при сжигании, используют для получения пара и электроэнергии. Но калорийность сжигаемого сырья невелика, поэтому установки для сжигания, как правило, являются экономически малоэффективными. Кроме того, при сжигании происходит образование сажи от неполного сгорания полимерных продуктов, выделение токсичных газов и, следовательно, повторное загрязнение воздушного и водного бассейнов, быстрый износ печей за счет сильной коррозии.

В начале 1970-х гг. прошлого века интенсивно начали развиваться работы по созданию био-, фото-и водоразрушаемых полимеров. Получение разлагаемых полимеров вызвало настоящую сенсацию, и этот способ уничтожения вышедших из строя пластмассовых изделий рассматривался как идеальный. Однако последующие работы в этом направлении показали, что трудно сочетать в изделиях высокие физико-механические характеристики, красивый внешний вид, способность к быстрому разрушению и низкую стоимость.

В последние годы исследования в области саморазрушающихся полимеров значительно сократились в основном потому, что издержки производства при получении таких полимеров, как правило, значительно выше, чем при получении обычных пластических масс, и этот способ уничтожения является экономически невыгодным.

Основной путь использования отходов пластмасс – это их утилизация, т. е. повторное использование. Показано, что капитальные и эксплуатационные затраты по основным способам утилизации отходов не превышают, а в ряде случаев даже ниже затрат на их уничтожение. Положительной стороной утилизации является также и то, что получается дополнительное количество полезных продуктов для различных отраслей народного хозяйства и не происходит повторного загрязнения окружающей среды. По этим причинам утилизация является не только экономически целесообразным, но и экологически предпочтительным решением проблемы использования пластмассовых отходов.

Подсчитано, что из ежегодно образующихся полимерных отходов в виде амортизованных изделий утилизации подвергается только незначительная часть (всего несколько процентов). Причиной этого являются трудности, связанные с предварительной подготовкой (сбор, сортировка, разделение, очистка и т. д.) отходов, отсутствием специального оборудования для переработки и т. д.

К основным способам утилизации отходов пластических масс относятся:

Термическое разложение путем пиролиза;

Разложение с получением исходных низкомолекулярных продуктов (мономеров, олигомеров);

Вторичная переработка.

Пиролиз – это термическое разложение органических продуктов в присутствии кислорода или без него. Пиролиз полимерных отходов позволяет получить высококалорийное топливо, сырье и полуфабрикаты, используемые в различных технологических процессах, а также мономеры, применяемые для синтеза полимеров.

Газообразные продукты термического разложения пластмасс могут использоваться в качестве топлива для получения рабочего водяного пара.

Жидкие продукты используются для получения теплоносителей. Спектр применения твердых (воскообразных) продуктов пиролиза отходов пластмасс достаточно широк (компоненты различного рода защитных составов, смазок, эмульсий, пропиточных материалов и др.)

Разработаны также процессы каталитического гидрокрекинга для превращения полимерных отходов в бензин и топливные масла.

Многие полимеры в результате обратимости реакции образования могут снова разлагаться до исходных веществ. Для практического использования имеют значение способы расщепления ПЭТФ, полиамидов (ПА) и вспененных полиуретанов. Продукты расщепления используют снова в качестве сырья для проведения процесса поликонденсации или как добавки к первичному материалу. Однако имеющиеся в этих продуктах примеси часто не позволяют получать высококачественные полимерные изделия, например, волокна, но чистота их достаточна для изготовления литьевых масс, легкоплавких и растворимых клеев.

Гидролиз является реакцией, обратной поликонденсации. С его помощью при направленном действии воды по местам соединения компонентов поликонденсаты разрушаются до исходных соединений. Гидролиз происходит под действием экстремальных температур и давлений. Глубина протекания реакции зависит от pH среды и используемых катализаторов.

Этот способ использования отходов энергетически более выгоден, чем пиролиз, так как в оборот возвращаются высококачественные химические продукты.

По сравнению с гидролизом для расщепления отходов ПЭТФ более экономичен другой способ – гликолиз. Деструкция происходит при высоких температурах и давлении в присутствии этиленгликоля и с участием катализаторов до получения чистого дигликольтерефталата. По этому принципу можно также переэтерифицировать карбаматные группы в полиуретане.

Все же самым распространенным термическим методом переработки отходов ПЭТФ является их расщепление с помощью метанола – метанолиз. Процесс протекает при температуре выше 150°С и давлении 1,5 МПа, ускоряется катализаторами переэтерификации. Этот метод очень экономичен.

На практике применяют и комбинацию методов гликолиза и метанолиза.

В настоящее время наиболее приемлемым для России является вторичная переработка отходов полимерных материалов механическим рециклингом, так как этот способ переработки не требует дорогого специального оборудования и может бать реализован в любом месте накопления отходов.

Далее рассмотрим основные методы вторичной переработки наиболее распространенных полимерных материалов.

2.2 УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ПОЛИОЛЕФИНОВ

Полиолефины – самый многотоннажный вид термопластов. Они находят широкое применение в различных отраслях промышленности, транспорта и в сельском хозяйстве. К полиолефинам относятся полиэтилен высокой и низкой плотности (ПЭВП и ПЭНП), ПП. Наиболее эффективным способом утилизации отходов ПО является их повторное использование. Ресурсы вторичных ПО велики: только отходы потребления ПЭНП в 1995 г. достигли 2 млн. т. Использование вторичных термопластов вообще, и ПО в частности, позволяет увеличить степень удовлетворения в них на 15…20 %.

Способы переработки отходов ПО зависят от марки полимера и их происхождения. Наиболее просто перерабатываются технологические отходы, т. е. отходы производства, которые не подверглись интенсивному световому воздействию в процессе эксплуатации. Не требуют сложных методов подготовки и отходы потребления из ПЭВП и ПП, так как с одной стороны изделия, изготавливаемые из этих полимеров, также не претерпевают значительных воздействий вследствие своей конструкции и назначения (толстостенные детали, тара, фурнитура и т. д.), а с другой стороны – исходные полимеры более устойчивы к воздействию атмосферных факторов, чем ПЭНП. Такие отходы перед повторным использовани­ем нуждаются только в измельчении и гранулировании.

2.2.1 Структурно-химические особенности вторичного полиэтилена

Выбор технологических параметров переработки отходов ПО и областей использования получаемых из них изделий обусловлен их физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые в значительной степени отличаются от тех же характеристик первичного полимера. К основным особенностям вторичного ПЭНП (ВПЭНП), которые определяют специфику его переработки, следует отнести: низкую насыпную плотность; особенности реологического поведения расплава, обусловленные высоким содержанием геля; повышенную химическую активность вследствие изменений структуры, происходящих при переработке первичного полимера и эксплуатации полученных из него изделий.

В процессе переработки и эксплуатации материал подвергается механохимическим воздействиям, термической, тепло - и фотоокислительной деструкции, что приводит к появлению активных групп, коорые при последующих переработках способны инициировать реакции окисления.

Изменение химической структуры начинается уже в процессе первичной переработки ПО, в частности при экструзии, когда полимер подвергается значительным термоокислительным и механохимиче-ским воздействиям. Наибольший вклад в изменения, протекающие при эксплуатации, вносят фотохимические процессы.

Эти изменения необратимы, в то время как физико-механические свойства, например, полиэтиленовой пленки, отслужившей один-два сезона для укрытия парников, после перепрессовки и экструзии почти полностью восстанавливаются.

Образование в ПЭ пленке при ее эксплуатации значительного числа карбонильных групп приводит к повышенной способности ВПЭНП поглощать кислород, следствием чего является образование во вторичном сырье винильных и винилиденовых групп, которые значительно снижают термоокислительную стабильность полимера при последующих переработках, инициируют процесс фотостарения таких материалов и изделий из них, снижают срок их службы.

Наличие карбонильных групп не определяет ни механические свойства (введением их до 9 % в исходную макромолекулу не оказывает существенного влияния на механические свойства материала), ни пропускание пленкой солнечного света (поглощение света карбонильными группами лежит в области длин волн менее 280 нм, а свет такого состава практически не содержится в солнечном спектре). Однако именно наличие карбонильных групп в ПЭ обусловливает весьма важное его свойство – стойкость к воздействию света.

Инициатором фотостарения ПЭ являются гидропероксиды, образующиеся еще при переработке первичного материала в процессе механохимической деструкции. Их инициирующее действие особенно эффективно на ранних стадиях старения, в то время как карбонильные группы оказывают существенное влияние на более поздних стадиях.

Как известно, при старении протекают конкурирующие реакции деструкции и структурирования. Следствием первой является образование низкомолекулярных продуктов, второй – нерастворимой гель-фракции.

Скорость образования низкомолекулярных продуктов максимальна в начале старения. Этот период характеризуется низким содержанием геля и снижением физико-механических показателей.

В дальнейшем скорость образования низкомолекулярных продуктов снижается, наблюдается резкое возрастание содержания геля и уменьшение относительного удлинения, что свидетельствует о протекании процесса структурирования. Затем (после достижения максимума) содержание геля в ВПЭ при его фотостарении снижается, что совпадает с полным израсходованием винилиденовых групп в полимере и достижением предельно допустимых значений относительного удлинения. Такой эффект объясняется вовлечением образовавшихся пространственных структур в процессе деструкции, а также растрескиванием по границе морфологических о