Разработка технологии переработки отходов упаковки без их сортировки

УДК 678.01.53

Разработка технологии переработки отходов упаковки без их сортировки

И. С. Тверитникова, магистрант, И.А. Кирш, д-р хим. наук, Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств

В последнее время для упаковки продуктов используют широкий спектр полимерных материалов, среди которых большое количество многослойных полимерных пленок, которые обеспечивают оптимальные условия хранения продукции длительное время. Многослойные упаковочные материалы представляют собой сочетание слоев полимерных пленок различной химической природы, например, полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиамид (ПА), полиэтилентерефталат (ПЭТФ) и многие другие. Как на стадии производства, так и после использования многослойных упаковок образуются смешанные полимерные отходы, утилизация которых затруднена вследствие сложности сортировки, идентификации и разделения [1]. Поэтому после использования многослойной упаковки, в основном они попадают на свалки

и полигоны или сжигаются, что приводит не только к потере ценного полимерного сырья, но и наносит ущерб окружающей среде. При переработке смешанных полимерных материалов возникает ряд технологических сложностей, поскольку они термодинамически несовместимы и имеют разные реологические и технологические характеристики. При совместной переработке таких отходов образуются технологически несовместимые системы, которые приводят не только к уменьшению эксплуатационных характеристик вторичного сырья, но и снижают качество изделия. Это понижает эффективность совместной переработки полимерных отходов [2, 3]. На сегодняшний день существуют способы переработки смешанных полимерных отходов с помощью агентов совместимости или компа-тибилизаторов [4].

Цель данной работы - проведение комплексного исследования направленного на увеличение технологической совместимости многослойных упаковочных отходов для разработки технологии их повторной переработки.

В качестве объектов исследования были выбраны отходы полимеров: полиэтилен, полипропилен, как наиболее используемые для создания упаковки.

На основании проведенного анализа литературных данных было установлено, что ультразвуковая (УЗ) обработка полимеров приводит к уменьшению их молекулярной массы, что сближает параметры растворимости компонентов полимерной смеси [2, 4, 5]. Поэтому в работе образцы получали на лабораторном экструдере с ультразвуковой виброприставкой. Данная экструзионная линия была разработана в лаборатории композитных материалов МГУПП.

Для сравнения эффективности технологии переработки отходов с УЗ в работе использовали компатибили-затор на основе сополимера этилена с пропиленом.

В работе использовались следующие методы исследования: метод капиллярной вискозиметрии; определение физико-механических свойств композиций.

На первом этапе проводили оценку реологических свойств материалов, методом капиллярной вискозиметрии. Оценкой реологических свойств являлся показатель текучести расплава.

На рис. 1, 2 представлены зависимости показателя текучести расплава полимерных композиций от количества циклов переработки.

о 0 цикл 1 цикл 2 цикл Зцикл

Циклы переработки Рис. 1. Зависимость показателя текучести расплава полимерных композиций на основе ПЭ и ПП (в соотношении 70:30 соответственно): 1 - контроль, 2 - компатибилизатор 10%, 3 - УЗ обработка

1 90

ат

гп

ока

с Циклы переработки

Рис. 2. Зависимость показателя текучести расплава полимерных композиций на основе ПЭ и ПП (в соотношении 30:70 соответственно): 1 - контроль, 2 - компатибилизатор 10%, 3 - УЗ обработка

20 30 40 50 60 Содержание ПП в ПЭ, % Рис. 3. Зависимость разрушающего напряжения вторичных полимерных композиций от количества ПП в ПЭ в смеси: 1 - контроль, 2 - компатибилизатор 10%, 3 - УЗ обработка

Содержание ПП и ПЭ, % Рис. 4. Зависимость относительного удлинения при разрыве вторичных полимерных композиций от количества ПП в ПЭ в смеси: 1 - контроль, 2 - компатибилизатор 10%, 3 - УЗ обработка

Из полученных результатов видно, что многократная экструзионная переработка композиций приводит к резкому увеличению показателя текучести расплава. Это связано с процессами деструкции. Аналогичный эффект наблюдается при введении компатибилизатора. При переработке с использованием УЗ наблюдается стабилизация реологических свойств композиций и, следовательно, процессы деструкции замедляются. Это является положительным критерием оценки эффективности в технологии переработки отходов.

Для установления интервала технологической совместимости отходов были проведены исследования физико-механических свойств композиций.

На рис. 3, 4 представлены зависимости разрушающего напряжения (рис. 3) и относительного удлинения при разрыве (рис. 4) от содержания ПП в ПЭ (в процентах) в смеси.

Исследования показали, что влияние УЗ на расплавы полимерных смесей приводит к увеличению

деформационно-прочностных характеристик по сравнению с контрольными образцами и при введении в композиции компатибилизатора. При этом можно отметить, что переработку смесей отходов при воздействии УЗ можно осуществлять в любом соотношении компонентов.

Физико-механические характеристики вторичных полимерных композиций на основе ПЭ и ПП при многократной переработке представлены на рис. 5 (а, б) и 6 (а, б) соответственно.

Анализируя полученных данные можно сделать заключение о том, что увеличение циклов переработки приводит к уменьшению физико-

1 цикл 2 цикл

Циклы переработки

3 цикл

1400

1 ци кл 2 ци кл

Циклы переработки б

3 ци кл

Рис. 5. Разрушающее напряжение (а) и относительное удлинение при разрыве (б) полимерных композиций на основе ПЭ и ПП (в соотношении 70:30 соответственно) при многократной переработке: 1 - контроль, 2 - компатибилизатор 10%, 3 - УЗ обработка

1 ци кл

2 цикл Циклы переработки

3 ци кл

900

1 цикл

2 цикл Циклы переработки

б

3 цикл

Рис. 6. Изменения полимерных композиций на основе ПЭ и ПП (в соотношении 30:70 соответственно) при многократной переработке: 1 - контроль, 2 - компатибилизатор 10%, 3 - УЗ обработка.

а) - разрушающее напряжение

б) - относительное удлинение при разрыве

а

а

механических свойств композиций, при этом УЗ способствует стабилизации деформационно-прочностных характеристик.

Аналогичные результаты были получены для композиций на основе отходов упаковки из ПП-ПЭТФ и ПЭ-ПА [6]. На рис. 7, 8 представлены

результаты физико-механических характеристик полимерных отходов на основе ПЭ и ПА (рис. 7 (а, б)) и на основе ПП и ПЭТФ (рис. 8 (а, б)) соответственно первого цикла переработки.

В результате проведенных исследований разработана технология переработки отходов полимерной упаковки без сортировки. Отходы упаковки проходят стадии измельчения, мойки, сушки, загружаются в экструдер с УЗ виброприставкой, на выходе - из головки гранулируются.

В результате получается вторичное полимерное сырье, из которого можно получать упаковку технического назначения (тару, пленки) и предметы бытового использования (например, вешалки, ограждения, садовые предметы, паллеты).

Выводы:

На основании проведенных исследований установлено эффективное влияние ультразвука на свойства вторичных полимерных композиций; наблюдается увеличение интервала технологической совместимости полимерных отходов различной химической природы.

Разработана технология переработки смесей термодинамически несовместимых полимеров без предварительной сортировки. Данная технология позволит перерабатывать полимерные отходы различной химической природы, что создаст новую конкурентоспособную продукцию на основе полимерных композиций, снизит нагрузку на окружающую среду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пищулин, И. Рециклинг сложных пленок / И. Пищулин // Пластикс. -

2013. - № 7 (125). - С. 38 - 44.

2. Кирш, И. А. Влияние ультразвука на термомеханические свойства полимеров различной химической природы и смесей из несовместимых полимеров/И. А. Кирш, Т.И. Чалых, А. Е. Чалых, А. Д. Алиев, Д.А. Помогова // Вестник Казанского университета. - 2015. -т. 18. - вып. 17. - С. 126 - 130.

3. Кирш, И.А. Изучение влияния ультразвуковой обработки на реологические свойства полимеров при их многократной переработке/ И.А. Кирш, Т.И. Чалых, В.В. Ананьев, Д.А. Согрина, Д.А. Помогова // Пластические массы. -

2014. - № 11 - 12. - С. 45 - 48.

4. Кирш, И.А. Регулирование физико-механических свойств вторичного по-лиэтилентерефталата путем химической и физической модификации/И. А. Кирш, Т.И. Чалых, В.В. Ананьев, Г.Е. Заиков // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - т. 18. - вып. 7. -С. 79 - 82

5. Ананьев, В.В. Модификация полиэтилена, инициированная ультразвуком/ В. В. Ананьев, М. И. Губанова, И.А. Кирш, Г.В. Семенов // Пластические массы. - 2008. - № 6. - С. 7 - 8.

6. Кирш, И.А. Установление закономерностей влияния ультразвукового поля на физико-химические свойства и структуру расплавов полимеров при их вторичной переработке: дисс. ... док. хим. наук: 02.00.06/Кирш Ирина Анатольевна. - Москва, 2016. -305 с.

LITERATURE:

1. PishchuLin, I. Recycling of composite films/ I. PischuLin/ PLastiks. - 2013. -No. 7 (125). - P. 38 - 44.

2. Kirsch, I. A. Effect of ultrasound on the thermomechanicaL properties of polymers of different chemical nature and mixtures of incompatible polymers. Kirsch, T. I. ChaLykh, A. E. ChaLykh, A.D. ALiev, D.A. Pomogov // BuLLetin of Kazan University. - 2015. - VoL. 18. -Issue. 17. - P. 126 - 130.

3. Kirsch, I.A. Study of the influence of uLtrasonic treatment on the rheoLogical properties of poLymers during their repeated processing. Kirsch, T.I. ChaLykh, V.V. Ananiev, D.A. Sogrina, D.A. Pomo-gov//PLastic masses. - 2014. - № 11 - 12. -P. 45 - 48.

4. Kirsch, I.A. ReguLation of physica[ and mechanicaL properties of secondary poLyethyLene terephthaLate by chemica[ and physicaL modification. Kirsch, T.I. ChaLykh, V.V. Ananyev, G.E. Zaikov // BuLLetin of the Kazan TechnoLogica[ University. - 2015. - v. 18. - issue 7. -P. 79 - 82

5. Ananiev, V. V. Modification of poLyethyLene, initiated by uLtrasound/V.V. Ananiev, M. I. Gubanova, I. A. Kirsch, G.V. Semenov // PLastic masses. - 2008. - № 6. - P. 7 - 8.

6. Kirsh, I. A. Determination of the reguLarities of the infLuence of the uLtrasonic fieLd on the physicochemicaL properties and structure of poLymer meLts during their secondary processing: diss.. doc. chem. Sciences: 02.00.06/ Kirsh Irina AnatoLevna. - Moscow, 2016. -305 p.

Разработка технологии переработки отходов упаковки без их сортировки

Ключевые слова

деформационно-прочностные характеристики, полимеры, смешанные полимерные отходы, ультразвук

Реферат

С каждым годом увеличивается ассортимент упаковки продукции, состоящей из многослойных полимерных пленок, увеличивающей срок годности готовому продукту. Многослойную полимерную упаковку тяжело утилизировать, поскольку сложность состоит в процессе сортировки, идентификации и разделения, поэтому чаще всего полимерные отходы сжигают или попадают на свалки и полигоны. Все это приводит к экологической и экономической проблеме в стране. В настоящее время существуют способы переработки отходов упаковки без их сортировки, при помощи физической и химико-физической модификации. Целью работы является проведение комплексного исследования направленного на увеличение интервала технологической совместимости полимерных отходов различной химической природы, чтобы разработать технологию для повторной переработки. Исследования проводились в лаборатории композитных материалов Московского государственного университета пищевых производств. В качестве объектов исследования были выбраны такие полимерные отходы, как полиэтилен и полипропилен, поскольку они являются наиболее используемые полимерные материалы для создания упаковки. Образцы получали на лабораторном экструдере с ультразвуковой виброприставкой. В работе рассмотрены два способа переработки смешанных полимерных отходов под влиянием ультразвука и путем введения в полимерную смесь агента совместимости; были проведены сравнения эффективности данных технологий; были проведены комплексные исследования реологических свойств и деформационно-прочностных характеристик полимерных смесей. На основании проведенных исследований установлено эффективное влияние ультразвука на свойства вторичных полимерных композиций; наблюдается увеличение интервала технологической совместимости полимерных отходов различной химической природы. В результате проведенных исследований разработана технология повторной переработки полимерных упаковочных отходов без предварительной сортировки. Отходы упаковки проходят стадии измельчения, мойки, сушки, загружаются в экструдер с ультразвуковой виброприставкой, на выходе из головки гранулируются. Данная технология позволит перерабатывать полимерные отходы различной химической природы, что создаст новую конкурентоспособную продукцию на основе полимерных композиций, снизит нагрузку на окружающую среду. В результате получается вторичное полимерное сырье, которое можно использовать в качестве упаковки технического назначения, а также предметы бытового использования.

Авторы

Тверитникова Изабелла Сергеевна, магистрант

Кирш Ирина Анатольевна, д-р хим. наук,

Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук,

Московский государственный университет пищевых производств

125080, Волоколамское шоссе, д. 11,

iza-1995@bk.ru, irina-kirsh@yandex.ru, borisfedorenko@gmail.com

Development of Technology for Recycling of Packaging Waste Without Sorting Them

Key words

d eformation and strength characteristics; polymer; mixed polymer waste; ultrasound

Abstracts

Every year, the range of packaging products, consisting of multilayer polymer films, increases the shelf life of the finished product. Multilayer polymeric packaging is difficult to dispose of, because the complexity lies in the process of sorting, identification and separation, so most often polymer waste is burned or falls on landfills and landfills. All this leads to an environmental and economic problem in the country. Currently, there are ways to process waste packaging without sorting them, using physical and chemical-physical modification. The aim of the work is to conduct a comprehensive study aimed at increasing the interval of technological compatibility of polymer wastes of various chemical nature in order to develop a technology for recycling. The studies were carried out in the laboratory of composite materials of the Moscow State University of Food Production. As the objects of research, such polymer wastes as polyethylene and polypropylene were chosen because they are the most used polymeric materials for packaging. Samples were obtained on a laboratory extruder with an ultrasonic vibro attachment. Two ways of processing mixed polymeric waste under the influence of ultrasound and by introducing a compatibility agent into the polymer mixture are considered; Comparisons of the effectiveness of these technologies were conducted; Complex investigations of rheological properties and deformation-strength characteristics of polymer mixtures were carried out. Based on the studies carried out, an effective effect of ultrasound on the properties of secondary polymer compositions was established; there is an increase in the interval of technological compatibility of polymer wastes of different chemical nature. As a result of the carried out researches the technology of repeated processing of polymeric packing waste without preliminary sorting is developed. Waste packaging goes through the stages of grinding, washing, drying, loaded into an extruder with an ultrasonic vibrating attachment, at the output of the head are granulated. This technology will allow processing of polymeric waste of various chemical nature that will create new competitive products based on polymer compositions, reduce the load on the environment. As a result, a secondary polymeric raw material is obtained, which can be used as a packaging for technical purposes, as well as household items.

Authors

Tveritnikova Izabella Sergeevna, Master

Kirsh Irina Anatolyevna, Doctor of Chemical Science,

Fedorenko Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Science,

Moscow State University of Food Production

11, Volokolamskoye Shosse, Moscow, 125080,

iza-1995@bk.ru, irina-kirsh@yandex.ru, borisfedorenko@gmail.com