Конструкционные материалы из вторичного полиэтилентерефталата
Сообщение, сделанное аспирантом кафедры ТНС и переработки полимерных материалов БГТУ Андреем Евсеем на 1-й международной выставке-конференции «Управление отходами»
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) — легкий, прочный, жесткий материал белого цвета без запаха плотностью 1,36-1,40 г/см3. Обладает хорошей термостойкостью в диапазоне температур от -60° до +170°С. Температура плавления составляет 255°-265°С, температура размягчения — 245°-248°С, температура стеклования — 70°С. Полиэтилентерефталат не растворяется в воде и органических растворителях, сравнительно устойчив к действию разбавленных растворов кислот, холодных растворов щелочей и отбеливающих агентов, имеет высокую прочность и ударную вязкость, устойчив к истиранию и многократным деформациям при растяжении и изгибе, гигроскопичен. ПЭТФ — хороший диэлектрик. Он относительно устойчив к действию световых и рентгеновских лучей. Технологичен — перерабатывается экструзией, вакуум-формованием, литьем под давлением, вытяжкой из расплава. Впервые полиэтилентерефталат был получен в 1941 г. и первоначально перерабатывался в волокна. В 60-е гг. начал использоваться для производства пленки. Подлинный прорыв имел место в 1973 г., когда в США был выдан патент на изобретение бутылки из ПЭТФ. Уже в 1977 г. компания Pepsi начала выпуск своих напитков в бутылках из этого полимера. Оптическая прозрачность, глянцевая поверхность, инертность, стойкость к ударным нагрузкам и невысокая себестоимость привели к тому, что сегодня производство тары — одно из главных направлений переработки полиэтилентерефталата. Ежегодно более 6,7 млн т этого полимера перерабатывается в одноразовую тару. При переработке в бутылку первоначальные свойства материала ухудшаются только на 1% и после непродолжительного использования этот ценный источник сырья попадает на свалку. Известно, что ПЭТФ составляет четвертую часть всех полимерных отходов, складируемых на полигонах Беларуси. Он меньше, чем другие полимеры, подвержен воздействию окружающей среды и поэтому практически не разлагается.
Существует несколько способов рециклинга ПЭТФ-тары. Для Беларуси в настоящее время наиболее предпочтителен термомеханический рециклинг, то есть переработка полимера через расплав. Технологии, позволяющие перерабатывать полимерную тару в промежуточный продукт (так называемые «флексы» — хлопья размером 5-10 мм различной степени чистоты), достаточно развиты и широко используются во всем мире, в том числе в Беларуси. Главной проблемой таких переработчиков является сбор ПЭТФ-тары. Эта статья расходов составляет около 50% себестоимости получаемых флексов. Получаемый продукт в основном экспортируется в Китай, где большая его часть перерабатывается в штапельные волокна (утеплитель для зимних курток, спальных мешков) и в этом виде возвращается в постсоветские страны, в том числе в Беларусь. Использование вторичного полиэтилентерефталата для производства тары, контактирующей с пищевыми продуктами, возможно, однако соответствующие оборудование и технологии являются весьма дорогостоящими. В настоящий момент в Беларуси переработка ПЭТФ-тары через расплав развивается в двух направлениях: получение волокна и переработка в изделия конструкционного назначения литьем под давлением. Необходимым условием для получения качественных изделий из вторичного полиэтилентерефталата является тщательная сушка материала перед переработкой — в противном случае вследствие автокаталитической деструкции физико-механические свойства материала существенно ухудшаются. Проведенные исследования показывают возможность переработки ПЭТФ-флексов литьем под давлением без предварительного гранулирования. С одной стороны, это позволяет сохранить ресурс полимера, исключив одну стадию плавления, с другой — упростить технологическую схему, убрав из нее экструдер-гранулятор. Оптические, физико-механические и реологические свойства вторичного полиэтилентерефталата несколько хуже, чем у первичного. В зависимости от продолжительности эксплуатации изделия, степени его загрязнения и технологии переработки свойства получаемого материала могут варьироваться в достаточно широком интервале.
В среднем вторичный полимер имеет только 60% свойств первичного. Для того, чтобы получить относительно качественный материал, вторичный полиэтилентерефталат необходимо модифицировать. Одним из возможных способов модификации является получение смеси полимеров. Введение термопласта, схожего по своему строению с ПЭТФ, приводит к образованию переходных слоев на границе раздела фаз. При нагружении изделия эти слои препятствуют росту микротрещин, что в итоге приводит к увеличению прочности материала. Специалистами БГТУ были получены смеси вторичного полиэтилентерефталата с первичными полиэтиленом низкого давления, полиэтиленом высокого давления, АБС-пластиком и поликарбонатом. Перечисленные полимеры вводились в количестве 5- 30% массы. Оценка свойств проводилась по основным физико-механическим показателям: ударной вязкости, прочности на растяжение и изгиб, относительном удлинении при разрыве. Характеристики полученных материалов исследовались с применением методов инфракрасной спектроскопии, рентгенофазового анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии. Оценка качества поверхности проводилась с помощью электронного микроскопа. В результате проведенных исследований было отмечено увеличение прочностных свойств смесей, содержащих поликарбонат и АБС-пластик, и увеличение ударной вязкости всех композиций. Смесевая композиция вторичного полиэтилентерефталата и поликарбоната имеет физико-механические свойства, превосходящие свойства первичного ПЭТФ. Смесь вторичного ПЭТФ с полиэтиленом обладает достаточно высокой ударной вязкостью и может быть использована на практике, несмотря на некоторое уменьшение прочностных свойств.
Другим способом повышения физико-механических свойств вторичного ПЭТФ является армирование его различного рода минеральными наполнителями. Введение определенного количества мелкодисперсного наполнителя (например, талька) позволяет изменить размер и количество образующихся кристаллов, что, в свою очередь, положительно сказывается на свойствах композиции. Присутствие в материале волокнистого минерального наполнителя, имеющего модуль упругости, значительно превышающий модуль упругости полимерной матрицы, приводит к упрочнению композиции в целом и в первую очередь — в направлении ориентации волокна. Такие материалы имеют повышенную жесткость и не обладают текучестью, что особенно важно для конструкционных изделий. Так, вторичный полиэтилентерефталат, армированный 20% стекловолокна, имеет на 40% большую прочность на изгиб, а прочность при растяжении — на 55% больше прочности первичного ПЭТФ. Таким образом, проведенные исследования показывают возможность рециклинга ПЭТФ-тары с получением конструкционных композиционных материалов для технических и строительных целей. Существенное значение имеет и то обстоятельство, что для получения таких материалов с успехом может использоваться стандартное оборудование для переработки полимеров. Выгода двухстадийной переработки ПЭТФ в том, что производителю не обязательно заниматься утилизацией — он сразу может использовать полуфабрикат из флексов. С другой стороны, переработчик ПЭТФ-бутылок может не ограничиваться только переработкой вторсырья во флексы, а наладить полный цикл переработки с производством конечного продукта. В настоящее время в Беларуси отрасль утилизации и переработки вторичного полиэтилентерефталата только формируется и может быть интересна как крупным инвесторам, так и мелким предпринимателям как способ получения хорошей прибыли во время сырьевого дефицита (и параллельно — как способ решения и экологических проблем).
Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
обсуждение статьи
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) — легкий, прочный, жесткий материал белого цвета без запаха плотностью 1,36-1,40 г/см3. Обладает хорошей термостойкостью в диапазоне температур от -60° до +170°С. Температура плавления составляет 255°-265°С, температура размягчения — 245°-248°С, температура стеклования — 70°С. Полиэтилентерефталат не растворяется в воде и органических растворителях, сравнительно устойчив к действию разбавленных растворов кислот, холодных растворов щелочей и отбеливающих агентов, имеет высокую прочность и ударную вязкость, устойчив к истиранию и многократным деформациям при растяжении и изгибе, гигроскопичен. ПЭТФ — хороший диэлектрик. Он относительно устойчив к действию световых и рентгеновских лучей. Технологичен — перерабатывается экструзией, вакуум-формованием, литьем под давлением, вытяжкой из расплава. Впервые полиэтилентерефталат был получен в 1941 г. и первоначально перерабатывался в волокна. В 60-е гг. начал использоваться для производства пленки. Подлинный прорыв имел место в 1973 г., когда в США был выдан патент на изобретение бутылки из ПЭТФ. Уже в 1977 г. компания Pepsi начала выпуск своих напитков в бутылках из этого полимера. Оптическая прозрачность, глянцевая поверхность, инертность, стойкость к ударным нагрузкам и невысокая себестоимость привели к тому, что сегодня производство тары — одно из главных направлений переработки полиэтилентерефталата. Ежегодно более 6,7 млн т этого полимера перерабатывается в одноразовую тару. При переработке в бутылку первоначальные свойства материала ухудшаются только на 1% и после непродолжительного использования этот ценный источник сырья попадает на свалку. Известно, что ПЭТФ составляет четвертую часть всех полимерных отходов, складируемых на полигонах Беларуси. Он меньше, чем другие полимеры, подвержен воздействию окружающей среды и поэтому практически не разлагается.
Существует несколько способов рециклинга ПЭТФ-тары. Для Беларуси в настоящее время наиболее предпочтителен термомеханический рециклинг, то есть переработка полимера через расплав. Технологии, позволяющие перерабатывать полимерную тару в промежуточный продукт (так называемые «флексы» — хлопья размером 5-10 мм различной степени чистоты), достаточно развиты и широко используются во всем мире, в том числе в Беларуси. Главной проблемой таких переработчиков является сбор ПЭТФ-тары. Эта статья расходов составляет около 50% себестоимости получаемых флексов. Получаемый продукт в основном экспортируется в Китай, где большая его часть перерабатывается в штапельные волокна (утеплитель для зимних курток, спальных мешков) и в этом виде возвращается в постсоветские страны, в том числе в Беларусь. Использование вторичного полиэтилентерефталата для производства тары, контактирующей с пищевыми продуктами, возможно, однако соответствующие оборудование и технологии являются весьма дорогостоящими. В настоящий момент в Беларуси переработка ПЭТФ-тары через расплав развивается в двух направлениях: получение волокна и переработка в изделия конструкционного назначения литьем под давлением. Необходимым условием для получения качественных изделий из вторичного полиэтилентерефталата является тщательная сушка материала перед переработкой — в противном случае вследствие автокаталитической деструкции физико-механические свойства материала существенно ухудшаются. Проведенные исследования показывают возможность переработки ПЭТФ-флексов литьем под давлением без предварительного гранулирования. С одной стороны, это позволяет сохранить ресурс полимера, исключив одну стадию плавления, с другой — упростить технологическую схему, убрав из нее экструдер-гранулятор. Оптические, физико-механические и реологические свойства вторичного полиэтилентерефталата несколько хуже, чем у первичного. В зависимости от продолжительности эксплуатации изделия, степени его загрязнения и технологии переработки свойства получаемого материала могут варьироваться в достаточно широком интервале.
В среднем вторичный полимер имеет только 60% свойств первичного. Для того, чтобы получить относительно качественный материал, вторичный полиэтилентерефталат необходимо модифицировать. Одним из возможных способов модификации является получение смеси полимеров. Введение термопласта, схожего по своему строению с ПЭТФ, приводит к образованию переходных слоев на границе раздела фаз. При нагружении изделия эти слои препятствуют росту микротрещин, что в итоге приводит к увеличению прочности материала. Специалистами БГТУ были получены смеси вторичного полиэтилентерефталата с первичными полиэтиленом низкого давления, полиэтиленом высокого давления, АБС-пластиком и поликарбонатом. Перечисленные полимеры вводились в количестве 5- 30% массы. Оценка свойств проводилась по основным физико-механическим показателям: ударной вязкости, прочности на растяжение и изгиб, относительном удлинении при разрыве. Характеристики полученных материалов исследовались с применением методов инфракрасной спектроскопии, рентгенофазового анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии. Оценка качества поверхности проводилась с помощью электронного микроскопа. В результате проведенных исследований было отмечено увеличение прочностных свойств смесей, содержащих поликарбонат и АБС-пластик, и увеличение ударной вязкости всех композиций. Смесевая композиция вторичного полиэтилентерефталата и поликарбоната имеет физико-механические свойства, превосходящие свойства первичного ПЭТФ. Смесь вторичного ПЭТФ с полиэтиленом обладает достаточно высокой ударной вязкостью и может быть использована на практике, несмотря на некоторое уменьшение прочностных свойств.
Другим способом повышения физико-механических свойств вторичного ПЭТФ является армирование его различного рода минеральными наполнителями. Введение определенного количества мелкодисперсного наполнителя (например, талька) позволяет изменить размер и количество образующихся кристаллов, что, в свою очередь, положительно сказывается на свойствах композиции. Присутствие в материале волокнистого минерального наполнителя, имеющего модуль упругости, значительно превышающий модуль упругости полимерной матрицы, приводит к упрочнению композиции в целом и в первую очередь — в направлении ориентации волокна. Такие материалы имеют повышенную жесткость и не обладают текучестью, что особенно важно для конструкционных изделий. Так, вторичный полиэтилентерефталат, армированный 20% стекловолокна, имеет на 40% большую прочность на изгиб, а прочность при растяжении — на 55% больше прочности первичного ПЭТФ. Таким образом, проведенные исследования показывают возможность рециклинга ПЭТФ-тары с получением конструкционных композиционных материалов для технических и строительных целей. Существенное значение имеет и то обстоятельство, что для получения таких материалов с успехом может использоваться стандартное оборудование для переработки полимеров. Выгода двухстадийной переработки ПЭТФ в том, что производителю не обязательно заниматься утилизацией — он сразу может использовать полуфабрикат из флексов. С другой стороны, переработчик ПЭТФ-бутылок может не ограничиваться только переработкой вторсырья во флексы, а наладить полный цикл переработки с производством конечного продукта. В настоящее время в Беларуси отрасль утилизации и переработки вторичного полиэтилентерефталата только формируется и может быть интересна как крупным инвесторам, так и мелким предпринимателям как способ получения хорошей прибыли во время сырьевого дефицита (и параллельно — как способ решения и экологических проблем).
Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
обсуждение статьи
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 22 за 2006 год в рубрике жкх
