student
Russian Federation
employee from 01.01.2010 until now
Angarsk, Irkutsk region, Russian Federation
The features of using recycled polymer raw materials in the production of polymer films are considered
polymer materials, modification, recycled polymers
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. Ershova, O.V. Destrukciya polimernyh plenok, modificirovannyh oksibiorazlagaemoy dobavkoy D2W / O.V. Ershova, O.A. Mishurina // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. - 2016. - № 11-2. - S. 221-225.
2. Klinov, A.S. Utilizaciya i vtorichnaya pererabotka tary i upakovki iz polimernyh materialov: uchebnoe posobie / A.S. Klinov, P.S. Belyaev, V.K. Skuratov, M.V. Sokolov, V.G. Odnol'ko. - Tambov: Izd-vo Tambovskogo gos. tehn. universiteta, 2010. - 100 s.
3. Tveritnikova, I.S. Modifikaciya polimernyh smesey s sopolimerami dlya polucheniya polimernyh kompoziciy s uluchshennymi deformacionno-prochnostnymi harakteristikami / I.S. Tveritnikova, O.A. Bannikova, O.V. Beznaeva, V.A. Romanova, D.M. Zagrebina, T.A. Kondratova // Health, Food & Biotechnology. - 2019. - T. 1. - № 3. - S. 92-105.
4. Efremov, N.F. Vliyanie tehnologii proizvodstva plenok polietilena nizkoy plotnosti na svoystva upakovki / N.F. Efremov, A.N. Utehin, A.V. Kanaicheva // Vestnik MGUP imeni Ivana Fedorova. - 2016. - № 2. - S. 82-86.
5. Shmakova, N.S. Vliyanie ul'tra-zvuka na poluchenie polietilenovyh plenok s antimikrobnymi svoystvami / Avto-referat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk / Shmakova Natal'ya Sergeevna; Moskovskiy gosudarstvennyy universitet pischevyh proizvodstv. - Moskva, 2021. - 17 s.: il. - Mesto zaschity: FGBOU VO «Rossiyskiy gosudarstvennyy universitet im. A.N. Kosygina (Tehnologii. Dizayn. Iskusstvo.)».
6. Korchagin, V.I. Termookisli-tel'naya destrukciya polietilena, modificirovannogo zhelezosoderzhaschim prooksidantom / V.I. Korchagin, A.M. Surkova, A.V. Protasov, A.A. Gapeev, A.S. Gubin, N.V. Erofeeva // Fundamental'nye issledovaniya. - 2018. - № 1 - S. 12-17.
7. Avtorskoe svidetel'stvo № 226839 SSSR, MPK C08J 11/04 (1973). Sposob regeneracii vtorichnogo polietilena i polipropilena: № 3384930/23-05. zayavl. 20.01.82: opubl. 23.10.83 / V.Ya. Bul-gakov, R.S. Nacvlischvili, V.G. Pirkulov, i dr.: Byul. № 9. - 3 s.
8. Novinskiy, G.M. Vliyanie polimernyh dobavok na deformacionno-prochnostnye i reologicheskie svoystva tehnologicheskih othodov polipropilen-polietilenovyh smesey / G.M. Novinskiy, I.V. Nikitina, A.V. Filatov, V.K. Kryzhanovskiy // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tehno-logicheskogo instituta (tehnicheskogo universiteta). - 2012. - № 13. - S. 42-45.
