студент
Россия
сотрудник с 01.01.2010 по настоящее время
Ангарск, Иркутская область, Россия
Рассмотрены особенности использования вторичного полимерного сырья при производстве полимерных пленок
полимерные материалы, модификация, вторичные полимеры
В настоящее время полимерные материалы широко распространены не только в быту, но и в других областях человеческой деятельности. Они применяются в промышленности, в медицине, в строительстве, автомобиле- и авиастроении. Вместе с этим образуется большое количество полимерных отходов, получаемых не только в процессе производства полимеров, но и после эксплуатации полимеров и изделий из них.
Классическими способами решения проблемы отходов, в том числе и полимерных, являются:
- Разработка новых способов применения отходов производства – позволяет перерабатывать отходы, полученные в технологическом процессе, сохраняя свойства материалов и получая продукцию достаточно хорошего качества;
- Переработка отходов потребления в другие продукты – позволяет перерабатывать бывшие в употреблении материалы в изделия иного назначения, при этом возможна некоторая потеря свойств материала;
- Вовлечение вторичного сырья в технологический процесс [1].
Метод вовлечения вторичного сырья в технологический процесс в настоящее время широко применяется в полимерной промышленности. Например, при переработке полиэтилена высокого давления методом экструзии при производстве пленок в состав полимерной композиции могут вводиться отходы производства полиэтилена различных марок в виде гранулята или капсулята.
Вовлечение вторичного сырья в переработку считается наиболее эффективным методом по ряду причин. Во-первых, это позволяет экономить первичное сырье, а, следовательно, и затраты на производство такой продукции также будут снижаться. Во-вторых, возврат вторичного сырья в производственный цикл означает снижение количества отходов и, как следствие, затрат на их обезвреживание или утилизацию. В конечном итоге это позволяет снизить себестоимость конечной продукции, а также уменьшает экологический ущерб от производства полимеров [1].
Однако использование вторичного сырья в процессе приготовления полимерной композиции имеет ряд особенностей, которые могут привести к снижению качества получаемого продукта. Это связано, в первую очередь, со снижением термической и химической стабильности вторичного полиэтилена в процессе его производства и эксплуатации [2]. Так как основными методами переработки полиэтилена являются термические (в том числе, экструзия пленок), в ходе термического воздействия на полимерную композицию возможно протекание реакций термоокислительной деструкции полимерных цепей, в первую очередь, со стороны вторичного сырья, что приводит к ухудшению внешнего вида и физико-механических характеристик получаемых пленок [3]. Также использование вторичного полиэтилена в составе полимерной композиции приводит к снижению молекулярной массы последней, оказывает влияние на надмолекулярную структуру, и, как следствие, ухудшает эксплуатационные характеристики получаемого материала (вязкостные, механические, и т.д.) [2].
На свойства полимерной пленки оказывают влияние следующие факторы:
- Состав и свойства исходного, в том числе вторичного сырья (применяемые виды и марки полиэтилена, их параметры, и соотношение в полимерной композиции);
- Условия проведения процесса переработки (температурный режим стадий нагрева и охлаждения, параметры используемого для раздува воздуха, степень однородности сырьевой смеси, скорость вращения намоточных валков и т.д.) [4, 5];
- Наличие в составе полимерной композиции различных добавок (красителей, модификаторов, термо- и светостабилизаторов, пластификаторов и других).
Влияние параметров исходного полимерного сырья на свойства конечной композиции связано в первую очередь, с молекулярной массой полимера: с увеличением молекулярной массы цепи возрастает прочность конечного материала, однако снижается пластичность. Также на свойства пленок оказывает влияние структура полимерной цепи. Например, полиэтилен низкого давления (ПЭНД) имеет линейное строение цепи, а полиэтилен высокого давления (ПЭВД) характеризуется разветвленной структурой полимерной цепи. Дополнительные ответвления в полимерной цепи способствуют неоднородности свойств по длине цепи, не позволяют создавать плотноупакованные надмолекулярные структуры, что в конечном итого может привести к неоднородности свойств пленки по длине, однако способствует определенному повышению ее пластичности и гибкости. Применение линейного полиэтилена позволяет создавать достаточно прочные структуры, однако вместе с этим повышается жесткость конечной композиции. Поэтому часто в состав композиции вводят разные виды и марки полимеров в самых разных соотношениях.
Влияние условий процесса переработки выражается, в первую очередь, температурой экструзии [4]. Чем она выше, тем легче расплавляется полимерная масса и тем более однородной она становится, но при этом повышается вероятность термической деструкции полимеров. Подбор температуры экструзии зависит от состава полимерной композиции.
Температурный режим охлаждения и качество охлаждающего воздуха также оказывают существенное влияние на свойства конечной пленки [4]. Так, резкое охлаждение пленки приводит к изменению надмолекулярной структуры цепи полимера: она становится более рыхлой и неоднородной, что негативно сказывается, в первую очередь, на механических свойствах пленки. Использование влажного воздуха для охлаждения пленки также снижает механические свойства полимера из-за образования дефектов поверхности от воздействия влаги.
Для снижения негативных воздействий на пленку в процессе переработки, а также для придания конечному материалу заданных свойств в состав полимерной композиции вводят различные добавки. В случае использования вторичного полимерного сырья большой интерес представляют разного рода стабилизаторы. Введение стабилизаторов направлено на предотвращение процесса деструкции полимерной цепи.
По механизму действия стабилизаторы подразделяются на:
- соединения, которые связывают молекулы окислителя, попавшие в систему, препятствуя началу процесса деструкции;
- соединения, которые стабилизируют свободные радикалы, уже образовавшиеся в результате деструкции, что препятствует дальнейшему разложению полимерной цепи.
Как правило, в качестве стабилизаторов выступают различные производные фенола, карбоновых кислот, кремнийорганических соединений, или их смеси [6]. Ввод такого модификатора может осуществляться как путем физического смешивания с полимерной композицией [1], так и за счет химического взаимодействия с ненасыщенными фрагментами исходной полимерной цепи [7].
С учетом того, что многие стабилизаторы представляют собой длинноцепные структуры, их внедрение в полимерную композицию изменяет надмолекулярную структуру полимера, что в конечном итоге позволяет проводить переработку в более мягких условиях, сохраняя стабильность свойств конечного материала.
Еще одним важным условием при использовании стабилизаторов и других добавок является их совместимость с полимерной фазой. Его несоблюдение приводит к нарушению однородности полимерной композиции, и, как следствие, к неоднородности свойств получаемой пленки [3, 5, 8].
Таким образом, процесс производства полимерных пленок с вовлечением вторичного сырья оказывается сопряжен с множеством сложностей. Это связано с тем, что на свойства полимерной композиции оказывает влияние не только состав сырьевой композиции, но и технологический режим процесса экструзии. Поэтому при производстве полимерных пленок с использованием вторичного сырья отдельное внимание следует уделять подбору добавок, которые позволят стабилизировать свойства вторичного полимера и снизить негативный эффект от его внедрения в процессе переработки и дальнейшей эксплуатации.
В рамках данной работы нами будут проанализированы закономерности влияния соотношения первичного и вторичного сырья на свойства полимерной композиции. Это позволить в дальнейшем подобрать рецептуры для получения полимерного материала с требуемыми свойствами из заданных видов сырья.
1. Ершова, О.В. Деструкция полимерных пленок, модифицированных оксибиоразлагаемой добавкой D2W / О.В. Ершова, О.А. Мишурина // Успехи современного естествознания. - 2016. - № 11-2. - С. 221-225.
2. Клинов, А.С. Утилизация и вторичная переработка тары и упаковки из полимерных материалов: учебное пособие / А.С. Клинов, П.С. Беляев, В.К. Скуратов, М.В. Соколов, В.Г. Однолько. - Тамбов: Изд-во Тамбовского гос. техн. университета, 2010. - 100 с.
3. Тверитникова, И.С. Модификация полимерных смесей с сополимерами для получения полимерных композиций с улучшенными деформационно-прочностными характеристиками / И.С. Тверитникова, О.А. Банникова, О.В. Безнаева, В.А. Романова, Д.М. Загребина, Т.А. Кондратова // Health, Food & Biotechnology. - 2019. - Т. 1. - № 3. - С. 92-105.
4. Ефремов, Н.Ф. Влияние технологии производства пленок полиэтилена низкой плотности на свойства упаковки / Н.Ф. Ефремов, А.Н. Утехин, А.В. Канаичева // Вестник МГУП имени Ивана Федорова. - 2016. - № 2. - С. 82-86.
5. Шмакова, Н.С. Влияние ультра-звука на получение полиэтиленовых пленок с антимикробными свойствами / Авто-реферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Шмакова Наталья Сергеевна; Московский государственный университет пищевых производств. - Москва, 2021. - 17 с.: ил. - Место защиты: ФГБОУ ВО «Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство.)».
6. Корчагин, В.И. Термоокисли-тельная деструкция полиэтилена, модифицированного железосодержащим прооксидантом / В.И. Корчагин, А.М. Суркова, А.В. Протасов, А.А. Гапеев, А.С. Губин, Н.В. Ерофеева // Фундаментальные исследования. - 2018. - № 1 - С. 12-17.
7. Авторское свидетельство № 226839 СССР, МПК C08J 11/04 (1973). Способ регенерации вторичного полиэтилена и полипропилена: № 3384930/23-05. заявл. 20.01.82: опубл. 23.10.83 / В.Я. Бул-гаков, Р.С. Нацвлищвили, В.Г. Пиркулов, и др.: Бюл. № 9. - 3 с.
8. Новинский, Г.М. Влияние полимерных добавок на деформационно-прочностные и реологические свойства технологических отходов полипропилен-полиэтиленовых смесей / Г.М. Новинский, И.В. Никитина, А.В. Филатов, В.К. Крыжановский // Известия Санкт-Петербургского государственного техно-логического института (технического университета). - 2012. - № 13. - С. 42-45.
