Описание технологии и оборудования переработки отходов полимерных материалов по непрерывной схеме на вальцах

t-align:justify">    Биоразложение полимера является сложным процессом,  на скорость и завершённость которого влияют не только строение и свойства полимера,  но и окружающие условия.  Из окружающих условий первостепенное влияние оказывают влажность,  температура, pH среды, свет, а также такой комплексный фактор, как контакт с почвой и тип почвы.

   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 капитальныеи 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 несколькопроцентов).  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 путём 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,  сырьё 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 твёрдых (воскообразных)  продуктов пиролиза отходов пластмасс достаточно широк (компоненты различного рода защитных составов,  смазок,  эмульсий,  пропиточных материалов и др.)  Образующиеся в процессе пиролиза низкомолекулярные предельные углеводороды подвергаются последующему крекингу с целью увеличения выхода непредельных соединений,  используемых при синтезе полиолефинов.

    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 ПЭТ 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.

    Всё же самым  распространённым термическим методом  переработки отходов ПЭТФ является  их расщепление с помощью метанола  –  метанолиз.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 материаловмеханическим рециклингом,  так как этот способ переработки не требует дорогого специального оборудования и может бать реализованв любом месте накопления отходов.

   Далее рассмотрим  основные методы вторичной переработки  наиболее распространённых полимерных  материалов.

1.2. УТИЛИЗАЦИЯ  ОТХОДОВ ТАРЫ И УПАКОВКИ ИЗ  ПОЛИОЛЕФИНОВ

   Полиолефины –   самый многотоннажный вид термопластов. Они находят широкое применение в различных отраслях промышленности, транспорта и в сельском хозяйстве. К полиолефинам (ПО)  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 .

1.3. ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА  ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА

   В процессе переработки  полимеры подвергаются воздействию  высоких температур,  сдвиговых  напряжений и окислению,  что  приводит к изменению структуры  материала,  его технологических  и эксплуатационных свойств.  На изменение структуры материала  решающее влияние оказывают термические  и термоокислительные процессы.

   ПВХ –  один  из наименее стабильных карбоцепных  промышленных полимеров.  Реакция  деструкции ПВХ – дегидрохлорирование начинается уже при температурах выше 100°С, а при 160°С реакция протекает очень быстро.  В результате термоокисления ПВХ происходят агрегативные и дезагрегативные процессы – сшивание и деструкция.

Деструкция ПВХ сопровождается изменением начальной окраски полимера из-за образования хромофорных группировок  и существенным ухудшением физико-механических, диэлектрических и других эксплуатационных характеристик.  В результате сшивания происходит превращение линейных макромолекул в разветвлённые и, в конечном счёте,  в сшитые трёхмерные структуры;  при этом значительно ухудшаются растворимость полимера и его  способность к переработке.  В  случае пластифицированного ПВХ  сшивание уменьшает совместимость  пластификатора с полимером,  увеличивает  миграцию пластификатора и необратимо ухудшает эксплуатационные свойства материалов.

   Наряду с учётом  влияния условий эксплуатации  и кратности переработки вторичных  полимерных материалов необходимо  оценить рациональное соотношение  отходов и свежего сырья в  композиции, предназначенной к переработке. 

   При экструзии  изделий из смешанного сырья  существует опасность брака из-за  разной вязкости расплавов,  поэтому  предлагается экструдировать первичный и вторичный ПВХ на разных машинах,  однако порошкообразный ПВХ практически всегда можно смешивать с вторичным полимером.

   Важной характеристикой,  определяющей принципиальную возможность  вторичной переработки ПВХ-отходов (допустимое время переработки, срок службы вторичного материала или изделия), а также необходимость дополнительного усиления стабилизирующей группы, является время термостабильности.

1.4. УТИЛИЗАЦИЯ  ОТХОДОВ ПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЛАСТИКОВ

   Отходы полистирола  накапливаются в виде вышедших  из употребления изделий из  ПС и его сополимеров (хлебницы,  вазы, сырницы, различная посуда, решётки, банки,  вешалки,  облицовочные листы, детали торгового и лабораторного оборудования и т.д.), а такжев виде промышленных (технологических)  отходов ПС общего назначения, ударопрочного ПС (УПС) и его сополимеров.

  Вторичное использование  полистирольных пластиков может  идти по следующим путям: 

− утилизация сильно загрязнённых промышленных отходов;

− утилизация технологических  отходов УПС и АБС-пластика методами литья под давлением, экструзии и прессования;

− утилизация изношенных изделий;

− утилизация отходов пенополистирола (ППС);

− утилизация смешанных  отходов.

   Сильно загрязнённые  промышленные отходы образуются  в производстве ПС и полистирольных  пластиков при чистке реакторов,  экструдеров и технологических  линий в виде кусков различной  величины и формы.  Эти отходы  вследствие загрязнённости, неоднородности  и низкого качества в основном  уничтожают путём сжигания.  Возможна  их утилизация деструкцией,  с  использованием получаемых жидких  продуктов в качестве топлива. 

Технологические   отходы   ПС (так же,  как и ПО)  по своим  физико-механическим и технологическим  свойствам не отличаются от первичного сырья.  Эти отходы являются возвратными и в основном используются на тех предприятиях,  где они образуются.  Их можно добавлять к первичному ПС или использовать в качестве самостоятельного сырья при производстве различных изделий. Значительное количество технологических отходов (до 50%)  образуется в процессе переработки полистирольных пластиков литьём под давлением, экструзией и вакуум-формованием, возврат которых в технологические процессы переработки позволяет значительно повысить эффективность использования полимерных материалов и создавать безотходные производства в промышленности переработки пластмасс. АБС-пластики широко применяются в автомобилестроении для изготовления крупных деталей автомобилей,  при производстве сантехнического оборудования, труб, товаров народного потребления и т.д. 

   В связи с увеличением  потребления стирольных пластиков  растёт и количество отходов,  использование которых является  экономически и экологически  целесообразным с учётом возрастания  стоимости сырья и уменьшения  его ресурсов.  Во многих случаях  вторичное сырьё можно использовать  для замены первичных материалов.

     Способ прямого прессования оказывается малопроизводительным,  а экструзия полимера затрудняется из-за его высокой вязкости.Перспективной представляется переработка технологических отходов АБС-полимера методом литья под давлением.  При этом для улучшения текучести полимера необходимо вводить технологические добавки.  Добавка к полимеру облегчает процесс переработки АБС-полимера,  так как приводит к увеличению подвижности макромолекул, гибкости полимера и снижению его вязкости. Полученные по такому способу изделия по своим эксплуатационным показателям не уступают изделиям из первичного полимера, а порой даже превосходят их.

   Бракованные и  изношенные изделия можно утилизировать  измельчением с последующим формованием  полученной крошки в смеси  с первичными материалами или  в качестве самостоятельного  сырья. 

Значительно более сложная  ситуация наблюдается в области  утилизации изношенных изделий из ПС,  в том числе вспененных пластиков.  За рубежом основными путями их утилизации являются пиролиз,  сжигание,  фото-  или биоразложение,  захоронение. Амортизованные изделия культурно-бытового назначения,  а также промышленности полимерных,  строительных,  теплоизоляционных материалов и других можно подвергать повторной переработке в изделия. В основном это касается изделий из ударопрочного ПС.

   Для превращения  отходов полистирольных плёнок  во вторичное полимерное сырьё  их подвергают агломерированию в роторных агломераторах. Низкое значение ударной вязкости ПС обусловливает быстрое измельчение (по сравнению с другими термопластами). Однако высокая адгезионная способность ПС приводит,  во-первых,  к слипанию частиц материала и образованию крупных агрегатов до того (80°С),  как материал становится пластичным (130°С), и,  во-вторых,  к прилипанию материала к перерабатывающему оборудованию.  Это значительно затрудняет агломерирование ПС по сравнению с ПЭ, ПП и ПВХ.

   Отходы ППС можно  растворять в стироле,  а затем  полимеризовать в смеси,  содержащей измельчённый каучук и другие добавки.  Полученные таким способом сополимеры характеризуются достаточно высокой ударной прочностью.

    В настоящее  время перед перерабатывающей  промышленностью стоит проблема  переработки смешанных отходов  пластмасс.