Вторичная переработка отходов полимеров: технология, оборудование. Оборудование для переработки полимеров Использование вторичного сырья при переработке полимеров

Изделия из полимеров сегодня являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, однако, одновременно с ростом объемов производства таких изделий, вполне естественно, что и количество твердых отходов также увеличивается.

Сегодня полимерные отходы составляют примерно двенадцать процентов от всего бытового мусора, и их количество постоянно растет. И естественно, что вторичная переработка полимеров сегодня является одной из самых остро стоящих проблем, ведь без нее человечество может буквально утонуть в горах мусора.

Утилизация полимеров сегодня является не только проблемой, но и весьма перспективным направлением бизнеса, поскольку из казалось бы бросового сырья – бытового мусора, можно получить множество полезных веществ. К тому же данная технология переработки мусора (ТБО) является куда более безопасным методом утилизации полимерных отходов, чем традиционное сжигание, которое наносит ощутимый вред экологии.

Технология переработки полимеров

Итак, что собой представляет переработка полимеров?

Для превращения полимерных отходов в сырье, пригодное для дальнейшей переработки в изделия, необходимо его предварительно обработать. Выбор способа предварительной обработки в первую очередь зависит от степени загрязненности отходов и источника их образования. Так, однородные отходы производства обычно перерабатывают прямо на месте их образования, поскольку в данном случае требуется незначительная предварительная обработка – всего лишь измельчение и грануляция.

Однако отходы в виде изделий, вышедших из употребления, требуют куда более основательной подготовки. Итак, предварительная обработка полимерных отходов обычно включает в себя следующие этапы:

1. Грубая сортировка и идентификация для отходов смешанного типа.
2. Измельчение отходов.
3. Разделение смешанных от­ходов.
4. Мойка отходов.
5. Сушка.
6. Грануляция.

Предварительная сортировка предусматривает собой грубое разделение полимерных отходов по различным признакам: виду пластмассы, цвету, форме и габаритам. Предварительная сортировка производится, как правило, вручную на ленточных конвейерах или столах. Также технология переработки полимеров подразумевает, что при сортировке из отходов удаляются различные посторонние включения.

Вышедшие из употребления и попавшие на завод по переработке мусора полимерные ПО отходы, в которых содержание посторонних примесей не превышает 5 %, поступают на сортировочный узел, где из них удаляют случайные инородные включения. Отходы, прошедшие сортировку, измельчаются в ножевых дробилках до получения рыхлой массы, размер частиц которой составляет 2…9 мм.

Измельчение – один из важнейших этапов подготовки отходов к переработке, поскольку степень измельчения определяет сыпучесть, размеры частиц и объемную плотность получаемого продукта. А регулирование степени измельчения позволяет повысить качество материала благодаря усреднению его технологических характеристик. Таким образом упрощается и переработка полимеров.

Весьма перспективным методом измельчения отходов полимеров является криогенный, благодаря которому можно получать порошки из полимерных отходов со степенью дисперсности от 0,5 до 2 мм. Использование данной технологии имеет ряд преимуществ перед традиционным механическим измельчением, поскольку благодаря нему можно добиться снижения продолжительности смешения и лучшего распределение компонентов в смеси.

Разделение смешанных отходов пластмасс по видам проводят следующими способами:

1. Флотационный.
2. Разделение в тяжелых средах.
3. Аэросепарация.
4. Электросепарация.
5. Химические методы.
6. Методы глубокого охлаждения.

Наиболее распространенный из них сегодня метод флотации, при котором разделение пластмасс производится благодаря добавлению в воду различных поверхностно-активных веществ, благодаря которым избирательно изменяются гидрофильные свойства полимеров.

В некоторых случаях довольно эффективным способом разделения полимеров является оказаться их растворение и в общем растворителе. Обрабатывая полученный раствор паром, выделяют ПВХ, смесь полиолефинов и ПС, причем чистота продуктов выходит не менее чем 96 %.

Именно две этих методики являются экономически более целесообразными из всех перечисленных нами выше.

Далее измельченные отходы полимеров подают в моечную машину на отмывку. Отмывку производят в несколько приемов с использованием специальных моющих смесей. Отжатую в центрифуге полимерную массу с влажностью от 10 до 15 %, подают для окончательного обезвоживания в сушильную установку, где она высушивается до содержания влаги в 0,2 %.

После этого масса попадает в гранулятор, где происходит уплотнение материала, благодаря чему облегчается его дальнейшая переработка и усредняются характеристики вторичного сырья. Конечным результатом гранулировки является получение материала, который может переработать стандартное оборудование для переработки полимеров.

Итак, понятно, что переработка отходов полимеров это дело достаточно непростое, и требует наличия определенного оборудования. Какое же именно оборудование для вторичной переработки полимеров используется сегодня?

• Линии мойки полимерных отходов.
• Дробилки полимеров.
• Экструдеры для рециклинга.
• Ленточные транспортеры.
• Шредеры.
• Агломераторы.
• Линии гранулирования, грануляторы.
• Ситозаменители.
• Смесители и дозаторы.

Если у вас имеется все необходимое для переработки полимеров оборудование, то вы можете приступать к делу и на своем опыте убедиться, что сегодня переработка мусора (ТБО) это не только забота об экологии планеты, но и отличное капиталовложение, поскольку рентабельность данного бизнеса весьма высока.

Вопрос сохранения экологии остро стоит во многих странах мира, люди понимают, что окружающая их среда не может воспринимать наши отходы бесконечно. Поэтому нам остается внимательно подходить к решению этой проблемы, сокращать количество отходов, по мере возможности перерабатывать их и получать вторичное сырье. Если обратить внимание на количество полимерных отходов в современном мире, то оно огромно, поэтому нужно начать ее переработку.

Некоторые предприниматели создали на переработка пластика прибыльное дело, которое обогатило их. Вопрос утилизации пластика и других полимеров сегодня востребован во всех городах и населенных пунктах, где живут люди. Давайте рассмотрим, как производится переработка полимеров, а точнее какое для этого необходимо оборудование. Важно понимать, что современные линии по переработке вторичного сырья это совершенно иные технологии, что были представлены всего пару десятилетий назад. Многие компании предлагают нам широкий ассортимент оборудования по переработке полимеров, но начинающему предпринимателю необходимо знать, какие характеристики наиболее важны при покупке. Благодаря правильно выбранному оборудованию для переработки можно значительно увеличить прибыль своего бизнеса и устранить конкурентов.

Полимеры в большом количестве встречаются в нашей повседневной жизни, это продукт больших городов. Отходы из пластика могут скапливаться в одном городе в количестве нескольких тонн. Многие даже не думают, куда деваются обычные пластиковые бутылки или какие-то другие полимерные продукты со свалки. По идее, это никого не волнует, хоть все знают, что пластик не растворится самостоятельно, он останется на столетия, медленно разрушаясь и нанося существенный вред окружающей среде. С каждым днем в мире увеличивается потребление продуктов, вещей и решений, которые содержат пластик, и даже сложно представить, что будет с планетой через 100-200 лет, если не перерабатывать пластика отходы.

К сожалению, в России мало кто даже из правительства обращает внимание на переработку пластика. В других развитых странах все иначе, например, в Америке и Европе каждый житель понимает о рациональном использовании отходов, разделяя их при выбрасывании в мусорный бак. А специальные предприятия тоннами перерабатывают вторичное сырье ежедневно, не засоряя окружающую среду. Помимо поддержания чистой экологии в своих городах, ряд стран также получает недорогие вторичные материалы, сохраняя свои деньги и энергию.

Технологии переработки пластика

Начинающим предпринимателям кажется, что переработка пластика это сложная процедура. На самом деле это не так, ведь существует современная технологическая линия, которая делает всю работу сама. Главное правильно выбрать оборудование, наладить его и запустить.

Процесс переработки делится на три стадии:

1. Измельчение пластиковых отходов до мелких фракций в виде крошки. Размеры таких фракций не должны превышать 0,1-0,3 см в диаметре.
2. Теперь необходимо промыть полимерные фракции и очистить их от загрязнений . Это очень важный этап, от степени загрязнения будет сильно зависеть качество полученной продукции. После промывки сырье подвергается сушке.
3. На следующем этапе происходит агломерация или грануляция , в зависимости от выбранной технологии. В первом случае сырье превращается в небольшую крошку, а во втором – в виде песка, с однородным качеством. Гранулы стоят дороже агломерата благодаря более высокому качеству, поэтому желательно выбирать оборудование и технологии, рассчитывая именно на грануляцию при утилизации пластика.

Классификация полимеров

Перед началом работы по утилизации пластика нужно знать, что существует несколько сортов полимеров, которые отличаются между собой. Поэтому их придется перерабатывать раздельно, чтобы не портить качество и свойства.

• ПЭВД или полиэтилен высокого давления. При переработке он становится прозрачным, не выделяет какого-либо дыма или запаха. По внешнему виду он сильно напоминает на парафин, который уже застыл
• ПЭНД, тот же полиэтилен, но низкого давления. Он более прочный, но хрупок, остальные свойства при переработке такие же, как у предыдущего экземпляра
• ПЭТФ или полиэтилентерефталат очень легкий и твердый материал, который хорошо противостоит высоким температурам, может выдержать растворы и кислоты, но только не щелочь
• Полистирол очень мягок, может сгибаться на большие углы, правда, при этом лопается. По запаху похож на цветы, при переработке выделяет очень сильный дым

На начальной стадии организации предприятия нужно сражу еже определиться, с каким материалом вы собираетесь работать, ведь для каждого необходимо своя технологическая линия. В нашей стране наиболее эффективно открывать цех по переработке ПЭТФ, ведь это пластиковые бутылки, которые встречаются повсюду. Также эффективно использовать пленку, это ПЭНД и ПЭВД в процессе утилизации.

В современном мире проблема утилизации полимерных отходов считается достаточно актуальной. Ежегодно на мусорных полигонах собираются миллионы тонн продукции данного типа. И лишь небольшая часть полимеров подвергается вторичной переработки. В результате ее проведения получают высококачественное сырье, пригодное для производства новой продукции.

Что такое полимерная продукция?

Каждый год объем выработки полимерных материалов увеличивается приблизительно на 5%. Такая популярность связана с их многочисленными положительными свойствами.

Данная продукция преимущественно используется в качестве тары. Она повышает срок службы изделий, которые находятся внутри упаковки. Также полимеры имеют отличный внешний вид и долгий срок службы.

Современная промышленность выпускает следующие разновидности продукции данного типа:

• полиэтилен и материалы, изготовленные на его основании – 34%;
• ПЭТ – 20%;
• бумага с ламинацией – 17%;
• ПВХ – 14%;
• полипропилен – 7%;
• полистирол – 8%.

Какая продукция пригодна для переработки?

Рециклингу подвергаются не все полимеры.

Термопластические синтетические материалы, которые при воздействии высокой температуры способны изменять свою форму, чаще всего используются для вторичной переработки.

Поэтому для этой цели собирают и специальным образом подготавливают такие виды отходов:

• материалы, которые остаются в процессе производства пластика. Чаще всего это всевозможные отрезки. Продукция данного типа отличается высоким качеством, поскольку в их составе отсутствуют примеси. На перерабатывающие заводы они поступают уже в отсортированном виде, что значительно упрощает подготовительный этап работы. Рециклингу обычно подвергается до 90% от всех промышленных отходов;
• полимеры, полученные после потребления. Их также называют бытовыми отходами. Это пакеты, одноразовая посуда, пластиковые бутылки, оконные профили и многие другие изделия. Особенностью данных материалов считается их загрязненность. Для переработки полимеров данного типа следует затратить много сил и ресурсов для сортировки и очистки отходов.

В чем основная проблема переработки полимерных отходов?

На данный момент переработке подвергается лишь небольшая часть от всех существующих отходов. Развитие данной сферы происходит медленно, несмотря на ее актуальность. Это связано со следующим:

• государство не обеспечивает всеми необходимыми нормативными и техническими нормами, которые могли бы обеспечить высокое качество вторсырья. Именно поэтому отсутствуют мощные производства, поставляющие на рынок переработанные отходы с оптимальными характеристиками;
• поскольку для осуществления процесса переработки не применяются современные технологии, для его поддержания необходимы огромные денежные ресурсы;
• из-за отсутствия поддержки государства уровень сбора отходов среди населения и мелких предприятий находится на низком уровне;
• получаемое вторсырье не обладает достаточной конкурентоспособностью;
• среди населения не проводится агитация, которая б стимулировала их к раздельному выбросу мусора. Большинство людей не понимают, что использование вторсырья позволяет ограничить потребление других ресурсов – нефти, газа.

Как происходит сбор вторсырья для переработки?

Вторичная переработка полимеров происходит после того, как пройдены все этапы подготовки сырья:

1. Открываются специальные пункты, которые занимаются сбором и первичной сортировкой полученной продукции. Они сотрудничают как с населением, так и с промышленными предприятиями разного типа.
2. Сбор полимеров на полигонах хранения бытовых отходов. Обычно этим занимаются специальные компании.
3. Сырье попадает на вторичный рынок после предварительной сортировки на специальных мусороперерабатывающих пунктах.
4. Перерабатывающими компаниями производится закупка вторсырья у крупных промышленных комплексов. Такие материалы менее загрязнены и не подлежат столь тщательной подготовки к переработке.
5. Небольшая часть вторсырья также собирается благодаря специальной программе, которая подразумевает раздельный сбор мусора.

Как осуществляется переработка полимеров?

После сбора и первичной сортировки переработка полимерных отходов происходит таким способом:

1. Измельчение сырья. Является одним из важных этапов подготовки полимеров к дальнейшей переработке. Степень измельчения материалов определяет качественные характеристики изделий, которые будут изготовляться в дальнейшем. Для проведения данного этапа работ современные заводы используют криогенный способ переработки. Он позволяет получить из полимерной продукции порошок со степенью дисперсности от 0,5 до 2 мм.
2. Разделение пластмасс по видам. Для осуществления данной операции чаще всего применяется флотационный метод. Он подразумевает добавление в воду специальных поверхностно-активных веществ, которые способны воздействовать на некоторых типы полимеров и изменять их гидрофильные свойства. Также очень эффективно растворение сырья специальными веществами. В последующем его обрабатывают паром, что позволяет выделить необходимые продукты. Существуют и другие методы разделения полимеров (аэро- и электросепарация, химический способ, проведение глубокой заморозки), но они менее популярны.
3. Мойка. Полученное сырье моют в несколько этапов с применением специальных средств.
4. Сушка. Материалы предварительно избавляются от воды в центрифугах. Заключительная сушка происходит в специальных машинах. В результате получают продукт с влажностью 0,2%.
5. Гранулирование. Подготовленный материал попадает в специальную установку, где он максимально уплотняется. В результате получают продукт, который подходит для производства полимерной продукции любого типа.

Переработка пластиковых бутылок

Стандартный перечень оборудования для мусороперерабатывающего завода

Переработка отходов полимеров осуществляется при помощи следующего оборудования:

• линия для мойки, где очищение сырья происходит с минимальными трудозатратами;
• экструдер – применяется для придания пластичной массе желаемой формы методом продавливания;
• ленточные транспортеры – для перемещения сырья в нужном направлении;
• шредеры – предназначены для первичного дробления материалов. Они способны работать практически с любым сырьем;
• дробилки – активно применяются для более тщательного измельчения сырья после применения шредера;
• смесители и дозаторы;
• агломераторы – необходимы для переработки тонких полимерных пленок;
• грануляторы – используются для уплотнения переработанного сырья;
• сушилки;
• холодильники;
• мойки;
• пресс и другие.

Какая стоимость отходов на соответствующем рынке?

Проведя анализ цен на рынке, понятно, что стоимость отходов, которые хранятся на мусорных полигонах, ниже от цены на вторсырье в 3-6 раз (относительно первичного сырья в 7-10 раз). Если проанализировать ценообразование на примере полиэтиленовой пленки, можно понять следующее:

• цена полигонного материала у компаний-посредников составляет 5 рублей за 1 кг;
• после мытья и сортировки стоимость пленки повышается до 12 руб./кг;
• сырье в виде агломерата или гранул имеет еще большую стоимость – 25-35 руб./кг;
• цена на первичный полиэтилен варьируется от 37 до 49 руб./кг.

Такая большая разница в ценах наблюдается не у всей продукции. Например, она почти не ощутима с ПВХ, полипропиленом, полистиролом и АБС-пластиком. В случае с ПЭТ стоимость полигонного сырья отличается от вторпродукции всего в 2-3 раза. Это объясняется особенностями его переработки, в результате которой за счет измельчения получают хлопья.

Куда сбывают полученное вторсырье?

Компании, которые занимаются переработкой отходов, чаще всего отправляют полученный продукт на продажу. Если такие заводы имеют собственное оборудование, они могут заниматься производством полимеров из полученного сырья. Только это не всегда экономически выгодно

Изготовленные пластиковые изделия чаще всего однотипные, что утрудняет их реализацию большими партиями.

Чаще всего подобные компании занимаются производством канализационных труб, строительных материалов или некоторых деталей автомобилей. На продукцию данного типа существует большой спрос на рынке.

Также очень популярна сторонняя переработка отходов полимерного типа. Эта услуга заключается в том, что заинтересованная компания отдает свой мусор заводу, который после проведения рециклинга возвращает ей готовое вторсырье. Владелец полимерных отходов платит за их переработку около 8-10 руб./кг, что считается очень выгодной сделкой.

ВВЕДЕНИЕ

Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями.

В нашем урбанизированном быстро развивающемся мире резко возрос спрос на полимерные материалы. Трудно себе представить полноценную работу заводов, электростанций, котельных, учебных заведений, электрической бытовой техники, которая нас окружает дома и на работе, современных вычислительных машин, автомобилей и много другого без использования этих материалов. Хотим ли мы сделать игрушку или создать космический корабль - и в том, и в другом случае не обойтись без полимеров. Но каким образом можно придать полимеру требуемую форму и вид? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим иной аспект технологии полимеров, а именно их переработку, что и является предметом данной работы.

В широком смысле переработку полимеров можно рассматривать как некую инженерную специальность, занимающуюся превращением исходных полимерных материалов в требуемые конечные продукты. Большинство методов, применяемых в настоящее время в технологии переработки по­лимеров, являются модифицированными аналогами методов, используе­мых в керамической и металлообрабатывающей промышленности. Дейст­вительно, нам необходимо понять все тонкости переработки полимеров для того, чтобы заменить обычные традиционные материалы другими материалами с улучшенными свойствами и внешним видом.

Около 50 лет назад существовало очень ограниченное количество процес­сов переработки полимеров в конечные изделия. В настоящее время имеет­ся множество процессов и методов, основными из них являются каландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия, пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание, армирование, формование из расплава, сухое и мокрое формование. Последние три метода используют для производства волокон из волокнообразующих материалов, а остальные - для переработки пластических и эластомерных материалов в промышленные изделия. В следующих разде­лах я попытался в общем виде рассмотреть эти важные процессы. Для более деталь­ного ознакомления с этими и другими процессами, такими, как нанесение покрытий окунанием и методом вихревого напыления псевдоожиженного слоя, электронная и тепловая герметизация и сварка, следует обратиться к специальным учебникам по переработке полимеров. За пределы этого реферата также выходят и вопросы, касающиеся покрытий и адгезивов.

Перед тем, как непосредственно перейти к рассмотрению способов и методов переработки полимеров в конечные продукты необходимо узнать: что же представляют собой полимеры, какие они бывают и где могут использоваться, т.е. какие конечные продукты могут быть получены из полимеров? Роль полимеров очень велика и мы должны понять необходимость их переработки.

1. ПОЛИМЕРЫ И ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Полимером называется органическое вещество, длинные молеку­лы которого построены из одинаковых многократно повторяю­щихся звеньев - мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы.

Природные образуются в результате жизнедеятельности рас­тений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выде­ления очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки явля­ются искусственные полимеры. Примерами являются натураль­ный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид, представляю­щий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются неза­менимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной про­мышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических поли­меров – материалов, полученных синтезом из низкомолекуляр­ных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие хими­ческой технологии высокомолекулярных веществ - неотъемлемая и существенная часть современнойНТР. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветв­ленные, сетчатые и пространственные.

Молекулы линейных поли­меров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рис. 1).

Рис.1. Схематическая диаграмма вязкости термопластичных полимеров в зависимости от температуры: Т 1 – температура перехода из стеклообразного в высоко эластичное состояние, Т 2 – температура перехода из высокоэластичного в вязкотекучее состояние.

Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными . Не следует думать, что термин «ли­нейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более ха­рактерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под дей­ствием реагентов.

Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем ли­нейные. Контролируемое разветвление цепей служит одним из основных промышленных методов модификации свойств термопластичных полимеров.

Сетчатая структура характерна тем, что цепи связаны друг с другом, а это сильно ограничивает движение и приводит к изме­нению как механических, так и химических свойств. Обычная ре­зина мягка, но при вулканизации серой образуются ковалентные связи типа S-0, и прочность растет. Полимер может приобрести сетчатую структуру и спонтанно, например, под действием света и кислорода произойдет старение с потерей эластичности и рабо­тоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционно-способные группы, то при нагревании они соединяются множеством прочных поперечных связей, полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру . Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяю­щие свойства материала, который приобретает прочность и вы­сокую вязкость, становится нерастворимым и неплавким. Вслед­ствие большой реакционной способности молекул, проявляющей­ся при повышении температуры, такие полимеры называют тер­мореактивными.

Термопластичные полимеры получают по реакции полимери­зации, протекающей по схеме пММ п (рис.2), где М - мо­лекула мономера, М п - макромолекула, состоящая из мономер­ных звеньев, п - степень полимеризации.

При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно, промежуточные продукты неустойчивы, реакция чувствительна к присутствию примесей и требует, как правило, высоких давлений. Неудивительно, что такой процесс в естествен­ных условиях невозможен, и все природные полимеры образова­лись иным путем. Современная химия создала новый инстру­мент - реакцию полимеризации, а благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализует­ся лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Реакционно-способные молекулы термореактивных полимеров могут образоваться более простым и естественным путем - посте­пенно от мономера к димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют ре­акцией поликонденсации; она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара) (рис. 2). Именно эта реакция реализуется в природе; она мо­жет быть легко осуществлена за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров предоставляет ши­рокие возможности изготовлять различные изделия на нехимиче­ских предприятиях, в том числе на радиозаводах.

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифици­ровать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи. Я не буду особо заострять внимание на всех этих продуктах, расскажу лишь о самых широко используемых. Необходимо показать, насколько велика потребность полимерных материалов в наше время, а, следовательно, и важность их переработки. Иначе проблема была бы просто необоснованна.

1.2 ПЛАСТИКИ

Слово "пластик" происходит из греческого языка и обозначает мате­риал, который может быть спрессован или сформован в любую форму по выбору. Согласно этой этимологии даже глину можно было бы наз­вать пластиком, однако в действительности пластиками называют только изделия из синтетических материалов. Американское общество испыта­ний и материалов определяет, что такое пластик, следующим образом: "это любой представитель широкого круга разнообразных материалов, полностью или частично органических по составу, которому можно придать необходимую форму при воздействии температуры и (или) давления".

Известны сотни пластиков. В табл. 1 представлены основные их виды и приведены отдельные представители каждого из видов. Следует отметить, что в настоящее время не существует единого способа описания всего разнообразия пластиков ввиду их многочисленности.

Таблица 1. Основные типы пластиков

Первым термопластом, нашедшим широкое применение, был целлулоид - искусственный полимер, полученный путем перера­ботки природного - целлюлозы. Он сыграл большую роль в тех­нике, особенно в кинематографе, но вследствие исключительной пожароопасности (по составу целлюлоза очень близка к бездым­ному пороху) уже в середине XX в. ее производство упало почти до нуля.

Развитие электроники, телефонной связи, радио настоятельно требовало создания новых электроизоляционных материалов с хо­рошими конструкционными и технологическими свойствами. Так появились искусственные полимеры, изготовленные на основе той же целлюлозы, названные по первым буквам областей примене­ния этролами. В настоящее время лишь 2 ... 3% мирового про­изводства полимеров составляют целлюлозные пластики, тогда как примерно 75% - синтетические термопласты, причем 90% из них приходится на долю только трех: полистирола, полиэтилена, поливинилхлорида.

Полистирол вспенивающийся, например, широко используется как теплозвукоизоляционный строительный материал. В радиоэлектронике он находит применение для герметизации изделий, когда надо обеспечить минимальные механические напряжения, создать вре­менную изоляцию от воздействия тепла, излучаемого другими эле­ментами, или низких температур и устранить их влияние на элек­трические свойства, следовательно, - в бортовой иСВЧ- аппаратуре.

1.3 ЭЛАСТОМЕРЫ

Обычно эластомеры называют каучуками. Воздушные шары, подошвы ботинок, шины, хирургические перчатки, садовые шланги – это типичные примеры изделий из эластомеров. Классическим примером эластомеров является природный каучук.

Макромолекула каучука имеет спиральное строение с периодом идентичности 0,913 нм и содержит более 1000 изопреновых остатков. Строение макромолекулы каучука обеспечивает его высокую эластичность – наиболее важное техническое свойство. Каучук обладает поразительной способностью обратимо растягиваться до 900% первоначальной длины.

Разновидностью каучука является менее эластичная гуттаперча, или балата, - сок некоторых каучуконосных растений, произрастающих в Индии и на Малайском полуострове. В отличие от каучука молекула гуттаперчи короче и имеет транс-1,4-строение с периодом идентичности 0,504 нм.

Выдающееся техническое значение натурального каучука, отсутствие его в ряде стран, в том числе в Советском Союзе, экономически рентабельных источников, стремление располагать материалами, превосходящими по ряду свойств (масло-, морозостойкость, прочность к стиранию) натуральный каучук, стимулировали исследования по получению синтетического каучука.

В настоящее время используется несколько синтетических эластомеров. Они включают в себя полибутадиены, сопо­лимеры стирола с бутадиеном, акрилонитрила с бутадиеном (нитрильный каучук), полиизопрен, полихлоропрен (неопрен), сополимер этилена с пропиленом, сополимер изопрена с изобутиленом (бутиловый каучук), полифторуглерод, полиуретан и силиконовые каучуки. Сырьем для получения синтетического каучука по способу Лебедева служит этиловый спирт. Теперь разработано получение бутадиена из бутана через каталитическое дегидрирование последнего.

Ученые добились успеха и сегодня более одной трети резины, производимой в мире, изготовляется из синтетического каучука. Каучук и резина внести огромный вклад в технический прогресс последнего столетия. Вспомним хотя бы о резиновых сапогах и разнообразных изоляционных материалах, и нам станет ясна роль каучука в важнейших отраслях хозяйства. Более половины мирового производства эластомеров расходуется на производство шин. На изготовление покрышек для малолитражки нужно около 20-ти кг каучука, причем разных сортов и марок, а для самосвала почти 1900 кг. Меньшая часть идет на остальные виды резиновых изделий. Каучук делает нашу жизнь удобнее.

1.4 ВОЛОКНА

Всем нам известны волокна природного происхождения, такие, как хлопок, шерсть, лен и шелк. Также нам знакомы синтетические волокна из найлона, полиэфиров, полипропилена и акрилов. Основной отличительной чертой волокон является то, что их длина в сотни раз превосходит их диаметр. Если натуральные волокна (кроме шелка) представляют собой штапельные волокна, то синтетические могут быть получены как в виде непрерывных нитей, так и в виде штапельною волокна.

С точки зрения потребителя волокна могут быть трех типов; повсед­невного спроса, безопасные и промышленные.

Волокнами повседневного спроса называют волокна, используемые для изготовления нижней и верхней одежды. В эту группу входят волокна для изготовления белья, носков, рубашек, костюмов и пр.Эти волокна должны обладать соответствующей прочностью и растя­жимостью, мягкостью, не горючестью, поглощать влагу и хорошо окраши­ваться. Типичными представителями этого класса волокон являются хло­пок, шелк, шерсть, найлон, полиэфиры и акрилаты.

Безопасными волокнами называют волокна, используемые для произ­водства ковров, занавесей, чехлов для кресел, драпировок и пр. Подоб­ные волокна должны быть жесткими, прочными, долговечными и изно­состойкими. С точки зрения безопасности к этим волокнам предъявляются следующие требования: они должны плохо воспламеняться, не распрост­ранять пламя и при горении выделять минимальное количество тепла, дыма и токсических газов. При добавлении небольших количеств веществ, содержащих такие атомы, как В, N, Si, P, C1, Вг или Sb, в волокна пов­седневного спроса удается придать им огнестойкие свойства и, таким образом, превратить их в безопасные волокна. Введение в волокна моди­фицирующих добавок уменьшает их горючесть, снижает распространение пламени, но не приводит к уменьшению выделения токсических газов и дыма при горении. Исследования показали, что в качестве безопасных волокон" могут быть использованы ароматические полиамиды, полиимиды, полибензимидазолы и полиоксидиазолы. Однако при горении этих волокон наблюдается выделение токсических газов, поскольку в их моле­кулах содержатся атомы азота. Этого недостатка лишены ароматические полиэфиры.

Промышленные волокна используются в качестве армирующих материа­лов в композитах. Эти волокна также называют структурными волокнами, поскольку они обладают высоким модулем, прочностью, термостойкостью, жесткостью, долговечностью. Структурные волокна используют для упроч­нения таких изделий, как жесткие и гибкие трубы, трубки и шланги, а так­же в композиционных структурах, называемых волокнитами и применяе­мых в конструкциях кораблей, автомобилей, самолетов и даже зданий. К этому классу волокон относятся одноосно ориентированные волокна ароматических полиамидов и полиэфиров, углеродные и кремневые волокна.

2. ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ

2.1 КОМПАУНДИРОВАНИЕ

Полимеры в чистом виде, полученные с промышленных предприятий после их выделения и очистки, называются "первичными" полимерами или "первичными" смолами. За исключением некоторых полимеров, таких, как полистирол, полиэтилен, полипропилен, первичные полимеры обычно не пригодны для прямой переработки. Первичный поливинилхлорид, нап­ример, является материалом рогоподобной фактуры и не может быть сформован без предварительного смягчения путем добавления пласти­фикатора. Аналогично этому для формования натурального каучука тре­буется введение в него вулканизующего агента. Большинство полимеров защищают от термической, окислительной и фотодеструкции введением в них подходящих стабилизаторов. Добавление в полимер красителей и пигментов перед формованием позволяет получить изделия самых различ­ных цветов. Для уменьшения трения и улучшения течения полимера внутри перерабатывающего оборудования в большинство полимеров добавляют смазочные материалы и вещества для улучшения технологических свойств. Наполнители же в полимер обычно добавляют для придания им специаль­ных свойств и уменьшения стоимости конечного продукта.

Процесс, включающий в себя введение таких ингредиентов, как пласти­фикаторы, вулканизирующие агенты, отвердители, стабилизаторы, напол­нители, красители, пламегасители и смазочные вещества, в первичный полимер, называют “компаундированием”, а смеси полимеров с этими добавками – “компаундами”.

Первичные пластические полимеры, такие, как полистирол, полиэтилен, полиметилметакрилат и поливинилхлорид, обычно находятся в виде сыпу­чих мелких порошков. Ингредиенты в виде мелкого порошка или жид­кости смешивают с порошкообразным первичным полимером с использо­ванием планетарных миксеров, V-смесителей, мешалок с ленточной винто­вой лопастью, Z-миксеров или опрокидывателей. Смещение можно прово­дить или при комнатной, или при повышенной температуре, которая, одна­ко, должна быть намного ниже температуры размягчения полимера. Жид­кие форполимеры смешивают с использованием простых высокоскорост­ных мешалок.

Первичные эластомерные полимеры, такие, как натуральный каучук, бутадиенстирольный каучук или нитрильный каучук, получают в виде крошки, спрессованной в толстые пластины, называемые "кипами". Они, как правило, смешаны с вулканизирующими агентами, катализаторами, наполнителями, антиоксидантами и смазочными материалами. Поскольку эластомеры не являются сыпучими порошками, как первичные пластичес­кие материалы, их нельзя смешивать с названными выше ингредиентами, используя методы, применяемые для первичных пластиков. Смешение первичных пластических полимеров с другими компонентами компаунда достигается перемешиванием, тогда как получение компаунда первичных эластомеров включает в себя вальцевание крошки в пластичные листы и последующее введение в полимер требуемых ингредиентов. Компаундирование эластомеров проводят или на двухвальковой каучуковой мельнице, или на смесителе Бенбери с внутренним смешением. Эластомеры в виде латекса или низкомолекулярных жидких смол могут быть смешаны простым перемешиванием с использованием высокоскоростных мешалок. В случае волокнообразующих полимеров компаундирование не проводят. Такие компоненты, как смазочные вещества, стабилизаторы и наполнители, обычно напрямую вводят в расплав или раствор полимера непосредственно перед прядением нити.

2.2 ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ

Тот факт, что полимерные материалы используют в самых различных формах, таких, как стержни, трубы, листы, пенопласты, покрытия или адгезивы, а также как прессованные изделия, подразумевает наличие разнооб­разных способов переработки полимерных компаундов в конечные про­дукты. Большинство полимерных изделий получено либо формованием, либо обработкой, либо отливкой жидких форнолимеров в форме с после­дующим отвердением или сшиванием. Волокна получают в процессе пря­дения.

Процесс формования можно сравнить, например, с лепкой какой-либо фигуры из глины, а процесс обработки - с вырезанием той же фигуры из куска мыла. В процессе формования компаунд в виде порошка, чешуек или гранул помещают в пресс-форму и подвергают воздействию температуры и давления, в результате чего образуется конечный продукт. В процессе обработки получают изделия в виде простых форм, таких, как листы, стержни или трубы, используя штапелирование, штамповку, склейку и сварку.

Прежде чем перейти к обсуждению разнообразных методов переработ­ки полимеров, напомним, что полимерные материалы могут быть термо­пластичными или термореактивными (термоотверждающимися). После формования термопластичных материалов под действием температуры и давления перед освобождением из пресс-формы их следует охлаждать ниже температуры размягчения полимера, так как в противном случае они теряют форму. В случае термореактивных материалов такой необхо­димости нет, поскольку после однократного совместного воздействия температуры и давления изделие сохраняет приобретенную форму даже при его освобождении из пресс-формы при высокой температуре.

2.3 КАЛАНДРОВАНИЕ

Процесс каландрования обычно применяют для производства непре­рывных пленок и листов. Основной частью аппарата (рис.1) для каланд­рования является комплект гладко отполированных металлических валков, вращающихся в противоположных направлениях, и устройство для точного регулирования зазора между ними. Зазор между валками опреде­ляет толщину каландрованного листа. Полимерный компаунд подается на горячие валки, а лист, поступающий с этих валков, охлаждается при прохождении через холодные валки. На последнем этапе листы сматы­ваются в рулоны, как показано на рис.1. Однако если вместо листов требуется получить тонкие полимерные пленки, применяют серию валков с постепенно уменьшающимся зазором между ними. Обычно в листы каландруют такие полимеры, как поливинилхлорид, полиэтилен, каучук и сополимер бутадиена, стирола и акрилонитрила.

Рис. 1. Схема аппарата для каландрования

/ - полимерный компаунд; 2 - каландровочные валки: горячие (3) и холодный (4); 5 - каландрованный лист; б - направляющие валки; 7 - сматывающее устрой­ство

При использовании в каландровочной машине профилированных валков можно получать тисненые листы различных рисунков. Различные декора­тивные эффекты, такие, как имитация под мрамор, могут быть достигнуты путем введения в каландр смеси компаундов различных цветов. Техноло­гия обработки под мрамор обычно используется в производстве плиток для пола из поливинилхлорида.

2.4 ЛИТЬЕ

ЛИТЬЕ В ФОРМЕ. Это сравнительно недорогой процесс, который сос­тоит в переработке жидкого форполимера в твердые изделия требуемой формы. Этим методом могут быть получены листы, трубы, стержни и т.п. изделия ограниченной длины. Схематически процесс литья в форме пред­ставлен на рис.2. В этом случае форполимер, смешанный в соответст­вующих пропорциях с отвердителем и другими ингредиентами, выливают в чашку Петри, которая и служит формой. Затем чашку Петри помещают на несколько часов в печь, нагретую до необходимой температуры, до пол­ного завершения реакции отвердения. После охлаждения до комнатной температуры твердый продукт вынимают из формы. Твердое тело, отлитое таким образом, будет иметь форму внутреннего рельефа чашки Петри.

Рис. 2. Простейшее изображение процесса литья в форме

б - наполнение чашки Петри форполимером и отвердителем; б - нагревание в печи; б - извлечение из формы остывшего продукта

Если вместо чашки Петри использовать цилиндрическую стеклянную трубу, закрытую с одного конца, можно получить изделие в виде цилиндрическо­го стержня. Кроме того, вместо форполимера и отвердителя в форме можно вылить смесь мономера, катализатора и других ингредиентов, нагретую до температуры полимеризации. Полимеризация в этом случае будет протекать внутри формы до образования твердого продукта. Для литья в форме подходят акрилы, эпоксиды, полиэфиры, фенолы и уретаны.

Формы для литья изготавливают из алебастра, свинца или стекла. В про­цессе отвердения происходит усадка полимерного блока, что облегчает его освобождение из формы.

РОТАЦИОННОЕ ЛИТЬЕ . Полые изделия, такие, как мячи и куклы, получают в процессе, называемом "ротационное литье". Аппарат, используемый в этом процессе, представлен на рис.3.

Компаунд термопластического материала в виде мелкого порошка помещают в полую форму. Используемый аппарат имеет специальное приспособление для одновременного вращения формы вокруг первич­ной и вторичной осей. Форму закрывают, нагревают и вращают. Это при­водит к однородному распределению расплавленного пластика по всей внутренней поверхности полой формы. Затем вращающуюся форму охлаж­дают холодной водой. При охлаждении расплавленный пластический ма­териал, однородно распределенный по внутренней поверхности формы, затвердевает. Теперь форму можно открывать и вынуть конечное изделие.

Также в форму может быть загружена жидкая смесь термореактивного форполимера с отвердителем. Отвердение в этом случае будет происхо­дить при вращении под действием повышенной температуры.

Ротационным литьем производят изделия из поливинилхлорида, такие, как галоши, полые шары или головы для кукол. Отвердение поливинилхлорида осуществляется путем физического гелеобразования между поливинилхлоридом и жидким пластификатором при температу­рах 150200°С. Мелкие частицы поливинилхлорида однородно дисперги­рованы в жидком пластификаторе вместе со стабилизаторами и красителя­ми, образуя, таким образом, вещество со сравнительно низкой вязкостью. Этот пастообразный материал, называемый "пластизоль", загружают в фор­му и откачивают из нее воздух. Затем форму начинают вращать и нагре­вать до требуемой температуры, что приводит к гелеобразованию поли­винилхлорида. Толщина стенок образующегося продукта определяется временем гелеобразования.

Рис.3. В процессе ротационного литья полые формы, наполненные полимерным материалом, одновременно вращают вокруг первичной и вторичной осей

1 - первичная ось; 2 - вторичная ось; 3 - деталь разъемной формы; 4 - полости формы; 5 - кожух зубчатой передачи; б-к мотору

После достижения требуемой толщины стенок избыток пластизоля удаляется для проведения повторного цикла. Для окончательной гомогенизации смеси частиц поливинилхлорида с пластифи­катором гелеобразный продукт внутри формы нагревают. Конечный про­дукт вынимают из формы после его охлаждения струёй воды. Метод рота­ционного литья с использованием жидкого материала известен как метод "формования полых изделий заливкой и вращением формы".

ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ. Наиболее удобным процессом для производства изделий из термоплас­тичных полимеров является процесс литья под давлением. Несмотря на то что стоимость оборудования в этом процессе достаточно высока, его несомненным достоинством является высокая производительность. В этом процессе дозированное количество расплавленного термопластичного поли­мера впрыскивается под давлением в сравнительно холодную пресс-фор­му, где и происходит его затвердевание в виде конечного продукта.

Аппарат для литья под давлением изображен на рис.6. Процесс сос­тоит из подачи компаундированного пластического материала в виде гра­нул, таблеток или порошка из бункера через определенные промежутки времени в нагретый горизонтальный цилиндр, где и происходит его раз­мягчение. Гидравлический поршень обеспечивает давление, необходимое для того, чтобы протолкнуть расплавленный материал по цилиндру в фор­му, расположенную на его конце. При движении полимерной массы вдоль горячей зоны цилиндра устройство, называемое "торпедой", способствует однородному распределению пластического материала по внутренним стенкам горячего цилиндра, обеспечивая таким образом равномерное распределение тепла по всему объему. Затем расплавленный пластический материал впрыскивают через литьевое отверстие в гнездо пресс-формы.

В простейшем виде пресс-форма представляет собой систему из двух частей: одна из частей движущаяся, другая - стационарная (см. рис.6). Стационарная часть пресс-формы фиксируется на конце цилиндра, а под­вижная снимается и надевается на нее.

При помощи специального меха­нического устройства пресс-форма плотно закрывается, и в это время происходит вспрыскивание расплавленного пластического материала под давлением 1500 кг/см. Закрывающее механическое устройство долж­но быть сделано таким образом, чтобы выдерживать высокие рабочие давления. Равномерное течение расплавленного материала во внутренних областях пресс-формы обеспечивается ее предварительным нагревом до определенной температуры. Обычно эта температура несколько ниже температуры размягчения прессуемого пластического материала. После заполнения формы расплавленным полимером ее охлаждают циркулирую­щей холодной водой, а затем открывают для извлечения готового изделия. Весь этот цикл может быть повторен многократно как в ручном, так и в автоматическом режиме.

ОТЛИВКА ПЛЕНОК. Метод отливки используют также и для производства полимерных пленок. В этом случае раствор полимера соответствующей концентрации постепенно выливают на движущийся с постоянной скоростью металли­ческий пояс (рис.4), на поверхности которого и происходит образова­ние непрерывного слоя полимерного раствора.

Рис.4. Схема процесса отливки пленок

/ - раствор полимера; 2 - распределительный клапан; 3 - раствор полимера рас­текается с образованием пленки; 4 - растворитель испаряется; 5 - бесконечный металлический пояс; 6 - непрерывная полимерная пленка; 7 - сматывающая ка­тушка

При испарении растворите­ля в контролируемом режиме на поверхности металлического пояса проис­ходит образование тонкой полимерной пленки. После этого пленка сни­мается простым отслаиванием. Этим способом получают большинство промышленных целлофановых листов и фотографических пленок.

2.5 ПРЯМОЕ ПРЕССОВАНИЕ

Метод прямого прессования широко используется для производства изделий из термореактивных материалов. На рис.5 представлена типич­ная пресс-форма, используемая для прямого прессования. Форма состоит из двух частей - верхней и нижней или из пуансона (позитивная форма) и матрицы (негативная форма). В нижней части пресс-формы имеется выемка, а в верхней - выступ. Зазор между выступом верхней части и выемкой нижней части в закрытой пресс-форме и определяет конечный вид прессуемого изделия.

В процессе прямого прессования термореактивный материал подвер­гается однократному воздействию температуры и давления. Применение гидравлического пресса с нагреваемыми пластинами позволяет получить желаемый результат.

Рис.5. Схематическое изображение пресс-формы, используемой в процессе пря­мого формования

1 - полость формы, наполненная термореактивным материалом; 2 - направляю­щие шипы; 3 - заусенец; 4 - сформованное изделие

Температура и давление при прессовании могут дости­гать 200 °С и 70 кг/см 2 соответственно. Рабочие температура и давление определяются реологическими, термическими и другими свойствами прессуемого пластического материала. Выемка пресс-формы полностью заполняется полимерным компаундом. Когда под давлением пресс-форма закрывается, материал внутри нее сдавливается и прессуется в требуемую форму. Избыточный материал вытесняется из пресс-формы в виде тонкой пленки, которую называют "заусенец". Под действием температуры прес­суемая масса отвердевает. Для освобождения конечного продукта из пресс-формы охлаждения не требуется.

Рис..6. Схематическое изображение процесса литья под давлением

1 - компаундированный пластический материал; 2 - загрузочная воронка; 3 - поршень; 4 - электрический нагревательный элемент; 5 - стационарная часть формы;

6 - подвижная часть формы; 7 - основной цилиндр; 8 - торпеда; 9 - размягченный пластический материал; 10 - пресс-форма; 11 - изделие, сформованное методом литья под давлением

2.6 ФОРМОВАНИЕ

ПНЕВМОФОРМОВАНИЕ. Большое количество полых пластических изделий производят методом пневмоформования: канистры, мягкие бутылки для напитков и пр. Пневмоформованию могут быть подвергнуты следующие термопластичные материалы: полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, полистирол, найлон, полипропилен, акрилы, акрилонитрил, акрилонитрил-бутадиенсти-рольнын полимер, однако по ежегодному потреблению первое место зани­мает полиэтилен высокой плотности.

Пневмоформование ведет свое происхождение от стеклодувной про­мышленности. Схема этого процесса дана на рис.7.

Горячую размяг­ченную термопластичную трубку, называемую "заготовкой", помещают внутрь полой формы, состоящей из двух частей. Когда форма закрыта, обе ее половины зажимают один конец заготовки и иглу для подачи возду­ха, расположенную на другом конце трубки.

Рис.7. Схематическая диаграмма, объясняющая стадии процесса пневмоформования

а - заготовка, помещенная в открытую пресс-форму; б - закрытая пресс-форма;

в - вдувание воздуха в пресс-форму; г - открывание пресс-формы. 1- заготовка;

2 - игла для подачи воздуха; 3 - пресс-форма; 4 - воздух; 5 - изделие, изготовлен­ное методом пневмоформования

Под действием давления, подаваемого из компрессора через иглу, горячая заготовка раздувается как шар до плотного соприкосновения с относительно холодной внутрен­ней поверхностью формы. Затем форму охлаждают, открывают и выни­мают готовое твердое термопластичное изделие.

Заготовка для пневмоформования может быть получена методом литья под давлением или экструзии, и в зависимости от этого метод называют соответственно литьем под давлением с раздувкой или пневмоформованием с экструзией.

ФОРМОВАНИЕ ЛИСТОВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ. Формование листовых термопластов является чрезвычайно важным процессом для производства трехмерных изделий из пластиков. Этим методом из листов акрилонитрилбутадиенстирола получают даже такие крупные изделия, как корпуса подводных лодок.

Схема этого Процесса такова. Термопластичный лист нагревают до температуры его размягчения. Затем пуансон впрессовывает горячий гиб­кий лист в матрицу металлической пресс-формы (рис.9), при этом лист принимает определенную форму. При охлаждении сформованное изделие затвердевает и извлекается из пресс-формы.

В модифицированном методе под действием вакуума горячий лист за­сасывается в полость матрицы и принимает требуемую форму (рис.10). Этот метод называется методом вакуумного формования.

2.7 ЭКСТРУЗИЯ

Экструзия является одним из самых дешевых методов производства широко распространенных пластических изделий, таких, как пленки, во­локна, трубы, листы, стержни, шланги и ремни, причем профиль этих изде­лий задается формой выхлопного отверстия головки экструдера. Расплав­ленный пластик при определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки экструдера, что и придает желаемый профиль экструдату. Схема простейшей экструзионной машины показана на рис.8.

Рис 8. Схематическое изображение простейшей экструзионной машины

1 - загрузочная воронка; 2 - шнек; 3 - основной цилиндр; 4 - нагревательные элементы; 5 - выходное отверстие головки экструдера, а - зона загрузки; б - зона сжатия; в ~ зона гомогенизации

В этой машине порошок или гранулы компаундированного пластиче­ского материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим обо­гревом для размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся шнек обеспечивает движение горячей пластической массы по цилиндру. По­скольку при движении полимерной массы между вращающимся шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к выделению тепла и, следо­вательно, к повышению температуры перерабатываемого полимера. В про­цессе этого движения от бункера к выходному отверстию головки экстру­дера пластическая масса переходит три четко разделенные зоны: зону загрузки (а), зону сжатия (б) и зону гомогенизации (в) (см. рис 9).

Каждая из этих зон вносит свой вклад в процесс экструзии. Зона за­грузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в зону сжатия, эта операция проходит без нагревания.

Рис. 9. Схема процесса формования листовых термопластов

1 - лист термопластического материала; 2 - зажим; 3 - пуансон; 4 - размягчен­ный нагревом лист; 5 - матрица; 6 - изделие, полученное методом формования лис­товых термопдастов

Рис.10. Схема процесса вакуумного формования термопластов

1 - зажим; 2 - лист термопласта; 3 - пресс-форма; 4 - изделие, полученное мето­дом вакуумного формования термопластов

В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление порошкообраз­ной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем пастообразный расплавленный пластический материал поступает в зону гомогенизации, где и приобретает постоянную скорость течения, обусловленную винтовой нарезкой шнека.

Под действием давления, создаваемого в этой части экструдера, расплав полимера подается на выходное отверстие головки экструдера и выходит из него с желаемым профилем. Из-за высокой вяз­кости некоторых полимеров иногда требуется наличие еще одной зоны, называемой рабочей, где полимер подвергается воздействию высоких сдвиговых нагрузок для повышения эффективности смешения. Экструдированный материал требуемого профиля выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура составляет от 125 до 350°С), и для сохранения формы требуется его быстрое охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через чан с холодной водой, и затверде­вает. Для охлаждения экструдата также применяют обдувку холодным воздухом и орошение холодной водой. Сформованный продукт в даль­нейшем или разрезается или сматывается в катушки.

Процесс экструзии используют также для покрытия проволок и кабелей поливинилхлоридом или каучуком, а стержнеобразных металлических прутьев - подходящими термопластичными материалами.

2.8 ВСПЕНИВАНИЕ

Вспенивание является простым методом получения пено- и губкообразных материалов. Особые свойства этого класса материалов - амортизи­рующая способность, легкий вес, низкая теплопроводность - делают их весьма привлекательными для использования в различных целях. Обыч­ными вспенивающимися полимерами являются полиуретаны, полистирол, полиэтилен, полипропилен, силиконы, эпоксиды, ПВХ и пр. Вспененная структура состоит из изолированных (закрытых) или взаимопроника­ющих (открытых) пустот. В первом случае, когда пустоты закрыты, они могут заключать в себе газы. Оба тина структур схематически представлены на рис.11.

Рис.11. Схематическое изображение ячеистых структур открытого и закрытого типов, образующихся в процессе вспенивания

1- дискретные (закрытые) ячейки; 2 - взаимопроникающие (открытые) ячейки;

3 - стенки ячеек

Существует несколько методов для производства вспененных или ячеистых пластиков. Один из них заключается в том, что через расплавлен­ный компаунд продувают воздух или азот до его полного вспенивания. Процесс вспенивания облегчается при добавлении поверхностно-активных агентов. По достижении требуемой степени вспенивания матрицу охлажда­ют до комнатной температуры. В этом случае термопластичный материал затвердевает во вспененном состоянии. Термореактивные жидкие форполимеры могут быть вспенены в холодном состоянии, а затем нагреты до полного их отвердения. Обычно вспенивание достигается добавле­нием в полимерную массу пено- или газообразователей. Такими агентами являются низкомолекулярные растворители или определенные химиче­ские соединения. Процесс кипения таких растворителей, как н-пентан и н-гексан, при температурах отвердения полимерных материалов со­провождается интенсивным процессом парообразования. С другой стороны, некоторые химические соединения при этих температурах могут раз­лагаться с выделением инертных газов. Так, азо-бис-изобутиронитрил термически разлагается, освобождая при этом большой объем азота , выделяющийся в полимерную матрицу в результате протекания реакции между изоцианатом и водой, также используется для производства вспенен­ных материалов, например пены полиуретана:

Поскольку полиуретаны получают по реакции полиола с диизоцианатом, то для вспенивания продукта реакции необходимо добавление дополни­тельных небольших количеств диизоцианата и воды.

Итак, большое количество паров или газов, выделяемых пено- и газообразователями, приводит к вспениванию полимерной матрицы. Полимер­ную матрицу во вспененном состоянии охлаждают до температур ниже температуры размягчения полимера (в случае термопластичных мате­риалов) или подвергают реакции отвердения или сшивания (в случае термореактивных материалов), в результате матрица приобретает жест­кость, необходимую для сохранения вспененной структуры. Этот процесс называется процессом "стабилизации пены". Если матрицу не охлаждать ниже температуры размягчения или не сшивать, наполняющие ее газы покидают систему пор и пена коллапсирует.

Пенопласты могут быть получены в гибкой, жесткой и полужесткой формах. Для того чтобы получить изделия из пенопласта напрямую, вспени­вание следует проводить непосредственно внутри пресс-формы. Пенопласто­вые листы и стержни также могут быть использованы для производства различных изделий. В зависимости от природы полимера и степени вспенивания плотность пенопластов может составлять от 20 до 1000 кг/см 3 . Ис­пользование пенопластов весьма многообразно. Например, автомобиль­ная промышленность использует большие количества пенопластов из ПВХ и полиуретана для обивки. Большую роль эти материалы играют и при изготовлении мебели. Жесткие полистирольные пенопласты широко ис­пользуются для упаковки и теплоизоляции зданий. Пенорезины и пенополиуретаны используют для набивки матрасов и пр. Жесткие пенополиуретаны также применяются для теплоизоляции зданий и для изготовления протезов.

2.9 АРМИРОВАНИЕ

При армировании пластической матрицы высокопрочным волокном получают системы, называемые "армированные волокном пластики" (АВП). АВП обладают весьма ценными свойствами: их отличает высокое отношение прочности к весу, значительная коррозионная стойкость и про­стота изготовления. Методом армирования волокнами удается получать широкий круг изделий. Например, конструкторов, создателей космических кораблей при создании искусственных спутников в АВП прежде всего привлекает поразительно высокое отношение прочности к весу. Красивый внешний вид, небольшой вес и коррозионная стойкость позволяют ис­пользовать АВП для обшивки морских судов. Кроме того, АВП используют даже в качестве материала для танков, в которых хранят кислоты.

Остановимся теперь подробнее на химическом составе и физической природе этих необычных материалов. Как было отмечено выше, они пред­ставляют собой полимерный материал, специальные свойства которого обусловлены введением в него армирующих волокон. Основными мате­риалами, из которых изготовляют армирующие волокна (как мелко на­резанные, так и длинные), являются стекло, графит, алюминий, углерод, бор и бериллий. Самые последние достижения в этой области связаны с использованием в качестве армирующих волокон полностью ароматиче­ского полиамида, что обеспечивает более чем 50%-ное уменьшение веса по сравнению с армированными пластиками на основе традиционных волокон. Для армирования также используются и натуральные волокна, такие, как сисал, асбест и пр. Выбор армирующего волокна прежде всего определяется требованиями, предъявляемыми к конечному продукту. Однако стеклянные волокна остаются и по сей день широко используе­мыми и до сих пор вносят основной вклад в промышленное производство АВП. Наиболее привлекательными свойствами стеклянных волокон явля­ются низкий коэффициент термического расширения, высокая стабиль­ность размеров, низкая стоимость производства, высокая прочность при растяжении, низкая диэлектрическая константа, не горючесть и химиче­ская стойкость. Другие армирующие волокна используют в основном в тех случаях, когда требуются некоторые дополнительные свойства для эксплуатации АВП в специфических условиях, несмотря на их более высо­кую стоимость по сравнению со стеклянными волокнами.

АВП получают путем связывания волокон с полимерной матрицей и ее последующего отвердения под действием давления и температуры. Армирующие добавки могут быть в виде мелко порезанных волокон, длинных нитей и тканей. Основными полимерными матрицами, использу­емыми в АВП, являются полиэфиры, эпоксиды, фенолы, силиконы, меламин, производные винила и полиамиды. Большинство АВП получают на основе полиэфирных полимеров, главное достоинство которых со­ставляет их низкая стоимость. Фенольные полимеры используют в тех случаях, когда требуется высокая термостойкость. Чрезвычайно высокие механические свойства АВП приобретают при использовании в качестве полимерной матрицы эпоксидных смол. Использование силиконовых полимеров придает АВП замечательные электрические и термические свойства.

В настоящее время существует несколько методов армирования пласти­кой. Наиболее часто используемыми из них являются: 1) метод наслоения листов вручную, 2) метод наматывания волокна и 3) метод пропитки распылением.

МЕТОД НАСЛОЕНИЯ ЛИСТОВ ВРУЧНУЮ. Вполне вероятно, что это самый простой метод армирования пласти­ков. В этом случае качество конечного продукта во многом определяется умением и мастерством оператора. Весь процесс состоит из следующих стадий. Вначале форму покрывают тонким слоем адгезионной смазки на основе поливинилового спирта, силиконового масла или парафина. Это делается для предотвращения прилипания конечного изделия к форме. Затем форму покрывают слоем полимера, поверх которого кладут стекло­ткань или мат. Эту стеклоткань, в свою очередь, покрывают другим слоем полимера.

Рис.12. Схематическое изображение метода наслоения листов вручную

1 - чередующиеся слои полимера и стеклоткани; 2 - пресс-форма; 3 - прокаты­вающий ролик

Все это для однородного прижимания стеклоткани к полимеру и удаления пузырьков воздуха плотно прокатывают роликами. Коли­чество чередующихся слоев полимера и стеклоткани определяет толщину образца (рис.12).

Затем при комнатной или повышенной температуре происходит отвердение системы. После отвердения армированный пластик снимают с формы и проводят зачистку и окончательную отделку. Этим методом получают листы, части автомобильного кузова, корпуса для судов, трубы и даже фрагменты зданий.

МЕТОД НАМАТЫВАНИЯ ВОЛОКОН. Этот метод очень широко используется для производства таких армиро­ванных пластических изделий, как цилиндры, выдерживающие высокие давления, цистерны для хранения химических веществ и корпуса моторов ракет. Он состоит в том, что непрерывную мононить, волокно, пучок волокон или тканую ленту пропускают через ванную со смолой и отвердителем. По мере выхода волокна из ванны избыток смолы отжимается. Пропитанные смолой волокна или ленту затем наматывают на сердечник требуемой формы и отверждают под действием температуры.

Рис.13. Схематическое изображение метода наматывания волокна

1- подающая катушка; 2 - непрерывная нить; 3 - узел для пропитки волокна и отжима смолы; 4 - сердечник; 5 - пропитанные смолой волокна, намотанные на сер­дечник

Наматыва­ющая машина (рис.13) сконструирована так, чтобы волокна могли наматываться на сердечник определенным образом. Натяжение волокна и способ его наматывания очень важны с точки зрения конечных деформационных свойств готового изделия.

МЕТОД ОПРЫСКИВАНИЯ. В этом методе используют пульверизатор с многоручьевой головкой. Струи смолы, отвердителя и нарезанного волокна одновременно подаются из пульверизатора на поверхность формы (рис.14), где они образуют слой определенной толщины. Нарезанное волокно определенной длины получают непрерывной подачей волокон в измельчающую головку ап­парата. После достижения требуемой толщины полимерную массу при нагревании отверждают. Распыление является экспресс-методом для по­крытия больших поверхностей. Многие современные пластические изделия, такие, как грузовые платформы, резервуары для хранения, кузова грузо­виков и корпуса кораблей, получают именно этим методом.

Рис.14. Схематическое изображение метода опрыскивания

1 - форма; 2 - распыленная смесь нарезанного волокна и смолы; 3 - струя на­резанного волокна; 4 - непрерывное волокно; 5- смола; 6- отвердитель; 7 - узел для нарезания волокна и распыления; 8 - струя смолы

ДРУГИЕ МЕТОДЫ. Кроме описанных выше методов, в производстве армированных пласти­ков известны и другие, каждый из которых имеет свое специфическое назначение. Так, метод изготовления непрерывных слоистых материалов используют для производства непрерывных листов армированных слоистых пластиков различной толщины. В этом процессе каждый отдельный слой тканой ленты, поступающей с рулонов, пропитывают смолой и отвердителем, а затем спрессовывают вместе, пропуская через систему горячих валков. После отвердения под действием температуры получают слоистый пластик I требуемой толщины (рис.15). Толщину материала можно варьировать, изменяя количество слоев.

Рис.15. Схематическое изображения метода производства непрерывных слоис­тых материалов

1- подающие катушки; 2 - непрерывные листы стеклоткани; 3 - ванна для про­питки в смеси смолы с отвердителем; 4 - непрерывный слоистый пластик; 5 - слоис­тый пластик, нарезаемый на куски необходимого размера

Другой метод, известный как метод получения одноосно ориентирован­ного волокнистого пластика, позволяет изготовить из непрерывных пуч­ков волокон такие изделия, как полые прутья или рыболовные удочки. Этот процесс сравнительно прост. Непрерывный пучок волокон, предвари­тельно обработанный смолой и отвердителем, протягивают через фильеру соответствующего профиля (рис.16), нагретую до определенной тем­пературы. На выходе из фильеры профилированное изделие продолжают нагревать. Отвержденный профиль вытягивают из фильеры системой враща­ющихся валков. Этот процесс несколько напоминает экструзию с той лишь разницей, что при экструзии полимерный материал проталкивают через фильеру изнутри с помощью вращающегося шнека, а в описанном методе материал протягивают через выходное отверстие фильеры с внеш­ней стороны.

Рис.16. Схематическое изображение метода получения одноосно ориентированно­го волокнистого пластика

1 - непрерывный пучок волокон, пропитанный смолой и отвердителем; 2 - нагре­вательный элемент; 3 - фильера; 4 - вращающиеся вытягивающие валки; 5 - гото­вое изделие, нарезанное на куски; 6 - профиль готового изделия

Кроме того, смесь, содержащая нарезанные волокна, смолу и отверди­тель, может быть сформована любым другим подходящим методом, на­пример методом прямого прессования. Термопластичные материалы, наполненные нарезанными волокнами, могут быть сформованы прямым прессованием, литьем под давлением или экструзией для получения конеч­ного продукта с улучшенными механическими свойствами.

2.10 ПРЯДЕНИЕ ВОЛОКОН

Полимерные волокна получают в процессе, называемом прядением. Существуют три принципиально различных метода прядения: прядение из расплава, сухое и мокрое прядение. В процессе прядения из расплава полимер находится в расплавленном состоянии, а в других случаях - в виде растворов. Однако во всех этих случаях полимер, в расплавлен­ном или растворенном состоянии, протекает через многоканальный мундштук, представляющий собой пластину с очень мелкими отверстиями для выхода волокон.

ПРЯДЕНИЕ ИЗ РАСПЛАВА. В своей простейшей форме процесс прядения из расплава может быть представлен следующим образом. Первоначально полимерные чешуйки расплавляют на нагретой решетке, превращая полимер в вязкую подвиж­ную жидкость. Иногда в процессе нагревания происходит образование комков вследствие протекания процессов сшивания или термической деструкции. Эти комки могут быть легко удалены из горячего полимер­ного расплава пропусканием через систему блок-фильтров. Кроме того, для предотвращения окислительной деструкции расплав следует защищать от кислорода воздуха. Это достигается в основном созданием вокруг расплава полимера инертной атмосферы азота, СОд и водяного пара. Дози­рующий насос подает расплав полимера с постоянной скоростью на много­канальный мундштук (фильеру). Расплав полимера проходит через систему мелких отверстий мундштука и выходит оттуда в виде непрерывных и очень тонких мононитей. При контакте с холодным воздухом происходит мгновенное затвердевание волокон, выходящих из фильер. Процессы охлаждения и отвердения могут быть в значительной мере ускорены при обдувке холодным воздухом. Выходящие из фильер твердые мононити наматываются на катушки.

Важная особенность, которую следует учитывать в процессе прядения из расплава, заключается в том, что диаметр мононити в значительной степени зависит от скорости, с которой расплавленный полимер проходит через фильеру, и от скорости, с которой мононить вытягивают из фильеры и сматывают на катушки.

Рис.17. Схематическое изображение процессов сухого прядения (а) и прядения из расплава (б)

1 - загрузочная воронка; 2 - полимерные чешуйки; 3 - нагретая решетка; 4 - го­рячий полимер; 5 - дозирующий насос; б - расплав; 7- многоканальный мундштук, 8 - свежеспряденное волокно; 9 - катушка; 10 - раствор полимера; 11 - фильтр;

12 - дозирующий насос; 13 - многоканальный мундштук; 14 - свежеспряденное во­локно; 15 - на катушку

СУХОЕ ПРЯДЕНИЕ. Большое количество таких традиционных полимеров, как ПВХ или полиакрилонитрил, перерабатывают в волокна в крупных масштабах в процессе сухого прядения. Суть этого процесса показана на рис.17. Полимер растворяют в соответствующем растворителе с образованием высококонцентрированного раствора. Вязкость раствора регулируют увеличением температуры. Горячий вязкий раствор полимера продавли­вают через фильеры, получая, таким образом, тонкие непрерывные струйки. Волокно из этих струек образуется при простом испарении растворителя. Испарение растворителя может быть ускорено путем обдувания встреч­ным потоком сухого азота. Волокна, образующиеся из раствора полимера, в конце концов наматывают на катушки. Скорость прядения волокон может достигать 1000 м/мин. Промышленные ацетатцеллюлозные волокна, полученные из 35%-ного раствора полимера в ацетоне при 40 °С, служат типичным примером получения волокон методом сухого прядения.

МОКРОЕ ПРЯДЕНИЕ. При мокром прядении, как и при сухом, используют сильно концентри­рованные полимерные растворы, высокую вязкость которых удается понизить повышением температуры прядения. Детально процесс мокрого прядения показан на рис.18. В процессе мокрого прядения происходит переработка вязкого раствора полимера в тонкие струнки при пропуска­нии через фильеры. Затем эти полимерные струйки попадают в коагуляционную ванну с осадителем, где и происходит высаживание полимера из раствора в виде тонких нитей, которые после промывки, сушки и пр. собирают на катушках. Иногда в процессе мокрого прядения вместо не­прерывных нитей образуются комки, что происходит в результате об­рыва вытекающей из фильеры струйки под действием сил поверхностного натяжения.

Рис.18. Схематическое изображение процесса мокрого прядения

1 - раствор полимера; 2 - фильтр; 3 - дозирующий насос; 4 - многоканальный мундштук; 5 - осадитель; 6 - свежеспряденное волокно; 7 - ванна для коагуля­ции и осаждения; 8 - ванна для промывки; 9 - сушка; 10 - на катушку

Этого удается избежать при увеличении вязкости полимерного раствора. Коагуляция, которая является лимитирующей стадией мокрого прядения, процесс довольно медленный, чем и объясняется низкая, по сравнению с другими, скорость прядения раствора, равная 50 м/мин. В промышленности процесс мокрого прядения используют для получения волокон из полиакрилонитрила, целлюлозы, вискозного волокна и т.д.

ОДНООСНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ. В процессе прядения волокон из полимерного расплава или раствора макромолекулы в волокне не ориентированы и, следовательно, их степень кристалличности сравнительно низка, что нежелательным образом отража­ется на физических свойствах волокна. Для улучшения физических свойств волокна подвергают операции, называемой одноосной вытяжкой, ис­пользуя растягивающие аппараты определенного типа.

Основной особенностью аппарата является наличие системы двух роли­ков А и В (рис.19), вращающихся с различными скоростями. Ролик В вращается в 4-5 раз быстрее ролика А. Спряденную нить последовательно пропускают через ролик А, растягивающую шпильку 3 и ролик В. По­скольку ролик В вращается со скоростью большей, чем ролик А, волокно вытягивается под нагрузкой, задаваемой шпилькой 3. Вытяжка волокна осуществляется в зоне 2. После прохождения через ролик В вытянутая полимерная нить наматывается на металлическую бобину. Несмотря на то что в процессе вытяжки происходит уменьшение диаметра нити, ее прочностные свойства в значительной степени улучшаются вследствие ориентации макромолекул, параллельно оси волокна.

Рис.19. Схематическое изображение аппарата для одноосного ориентирования

1- невытянутая нить; 2 - зона вытяжки; 3 - растягивающая шпилька; 4- вытя­нутое волокно

ПОСЛЕДУЮЩАЯ ОБРАБОТКА ВОЛОКОН. Для улучшения полезных свойств волокон их часто подвергают до­полнительной специальной обработке: очистке, смазке, проклейке, краше­нию и т.д.

Для очистки используют мыла и другие синтетические моющие средства. Очистка есть не что иное, как удаление грязи и других примесей с поверх­ности волокна. Смазка заключается в обработке волокон с целью защиты

их от трения с соседними волокнами и грубыми металлическими поверх­ностями в процессе переработки. В качестве смазывающих агентов в основ­ном используют природные масла. Смазывание приводит также к умень­шению статического электричества, накапливающегося на волокнах.

Проклейкой называют процесс защитного покрытия волокон. В качестве проклеивающих материалов для большинства волокон используют поли­виниловый спирт или желатину. Проклейка позволяет удерживать волокна в пределах компактного пучка и обеспечивает таким образом равномерное ткачество. Перед крашением ткани проклейку следует удалять промыва­нием в воде.

Для окрашивания волокна помещают в раствор красителя, молекулы которого проникают обычно лишь в аморфные области волокна.

Волокна на основе целлюлозы или белков быстро адсорбируют кислот­ные красители, которые легко связываются с амино- или гидроксильными группами полимеров. Процесс крашения синтетических волокон, таких, как полиэфиры, полиамиды или акрилы, протекает намного медленнее. Скорость крашения в этом случае удается увеличивать повышением тем­пературы. Крашение волокон на основе поливинилхлорида, полиэтилена и пр. практически невозможно без введения в них активных абсорбцион­ных центров при сополимеризации и химическом окислении.

ЗАКЛЮЕНИЕ

Как ранее было отмечено, к полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений.

В начале 60-х г. полимеры считали лишь дешевыми заменителями дефицитного природного сырья - хлопка, шелка, шерсти. Но вскоре пришло понимание того, что полимеры, волокна и другие материалы на их основе подчас лучше традиционно используемых природных материалов - они легче, прочнее, более жаростойки, способны работать в агрессивных средах. Поэтому все свои усилия химики и технологи направили на создание новых полимеров, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, и методов их переработки. И достигли в этом деле результатов, порой превосходящих результаты аналогичной деятельности известных зарубежных фирм.

Полимеры широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта. При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли, и способы их получения. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров ста­ли изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпус­ных деталей машин и механизмов, несущих значитель­ные нагрузки.

Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной про­мышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка кры­ла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изго­товлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности.

Все эти примеры показывают огромную роль полимеров в нашей жизни. Трудно себе представить какие материалы на их основе будут еще получены. Но можно с уверенностью сказать, что полимеры займут если не первое, то хотя бы одно из первых мест в производстве. Совершенно очевидно, что качество, характеристики и свойства конечных продуктов напрямую зависят от технологии переработки полимеров. Важность этого аспекта заставляет искать все новые и новые способы переработки для получения материалов с улучшенными показателями. В данном реферате были рассмотрены лишь основные методы. Общее же их число на этом не ограничивается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Пасынков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники, - М.: Высшая школа, 1986.

2.А. А. Тагер, Физикохимия полимеров, М., химия, 1978.

3.Третьяков Ю.Д., Химия: Справочные материалы. – М.: Просвещение, 1984.

4.Материаловедение/Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986.

5.Донцов А. А., Догадкин Б. А., Шершнев В. А., Химия эластомеров, - М.: Химия, 1981.

Термопласты -это пластмассы, которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке. Они могут многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, не теряя своих свойств. Именно этим обусловлен огромный интерес к вторичной переработке термопластовых отходов -как бытовых, так и промышленных.

Состав твердых бытовых отходов (ТБО) в столице заметно отличается от среднего по России. Ежегодно в Москве образуется порядка 110 тыс. т твердых бытовых отходов. Из них полимерных — 8-10 %, а в коммерческих отходах крупных предприятий эта цифра достигает 25 %.

Отдельно в структуре ТБО следует выделить пластиковые бутылки. Ежегодно только в Москве их выбрасывается порядка 50 тыс. т. Согласно результатам Международной научно-практической конференции «Упаковка и окружающая среда», 30 % всех полимерных отходов составляют бутылки из полиэтилена и поливинилхлорида. Однако в настоящее время, по данным ГУП «Промотходы», в Москве и области ежегодно перерабатывается не более 9 тыс. т полимерных отходов, выделенных из ТБО. Причем половина из них — на территории Московского региона. Каковы же причины столь незначительной переработки термопластовых отходов?

Организация сбора

На сегодняшний день задействованы несколько каналов сбора пластмассовых отходов.

Первый и основной из них — сбор и вывоз отходов крупных торговых комплексов. Это сырье представляет собой преимущественно использованную упаковку и считается наиболее «чистым» и лучше всего подходящим для дальнейшего применения.

Второй путь — селективный сбор мусора. На юго-западе Москвы городская администрация совместно с ГУП «Промотходы» проводит такой эксперимент. Во дворах нескольких жилых домов установлены специальные немецкие евроконтейнеры. Крышки у контейнеров с отверстиями: круглые — для ПЭТ-бутылок, большая прорезь — для бумаги. Контейнеры запираются, за ними ведется постоянный надзор. За два года собрано 12т пластиковых бутылок. Сегодня проект включает в себя лишь 19 жилых домов. По мнению экспертов, при охвате территории с проживанием более 1 млн. жителей выгода такой системы становится очевидной.

Третий вариант — сортировка ТБО на специализированных предприятиях (опытно-промышленный центр по сортировке отходов «Котляково», частное предприятие МСК-1, другие мусоросортировочные комплексы). Точно определить объем отсортированных отходов пока довольно сложно, однако доля этого источника вторичного сырья уже заметна. Некоторые коммерческие организации под контролем муниципальных властей организуют собственные пункты приема вторичного сырья (в том числе полимерных отходов) у населения. Там же обычно происходит первичная сортировка и прессование. Тем не менее, таких пунктов в городе крайне мало.

Заметная доля идущего на переработку вторичного сырья нелегально собирается на полигонах. Этим занимаются частные фирмы, а порой и управления самих полигонов. Собранные и отсортированные материалы продаются перекупщикам или напрямую производителям.

При переработке термопластов очень важна однородность используемых полимеров, степень загрязненности, цвет и вид (пленка, бутылки, лом), форма поставляемых отходов (спрессованность, упаковка и т. п.). В зависимости от этих и ряда других параметров степень пригодности конкретной партии к дальнейшей обработке (и, следовательно, ее рыночная стоимость) может заметно колебаться. Дороже всего стоит макулатура.

Сортировку, дробление и прессовку могут производить многочисленные посредники, мусоросортировочные комплексы, сами переработчики, структуры ГУП «Промотходы».

В большинстве случаев применяется ручная сортировка, поскольку соответствующее оборудование дорого и не всегда эффективно.

Переработка полимеров

Собранные и отсортированные отходы могут быть переработаны во вторичный гранулят либо сразу пойти на производство новой продукции (хозяйственные мешки и пакеты, одноразовая посуда, футляры для видеокассет, дачная мебель, полимерные трубы, древесно-полимерные плиты и т. п.).

Переработкой полимерных бытовых отходов в промышленном масштабе в Москве занимается только ОАО НИИ ПМ (производство изделий для нужд городского хозяйства в рамках программы по раздельному сбору мусора в Юго-Западном АО и по заказу столичной мэрии). ГУП «Промотходы» осуществляет дробление, мытье и сушку, далее хлопья по цене 400 $ за т везутся на дальнейшую переработку в НИИ ПМ.

Другие переработчики вторичного сырья либо слишком малы (мощности до 20 т в месяц), либо под видом переработки занимаются дроблением и дальнейшей перепродажей, в лучшем случае добавляют в свою продукцию дробленое сырье. Масштабным производством вторичного гранулята и агломерата в Москве практически никто не занимается.

По другим сведениям (Н.М. Чалая, НПО «Пластик»), переработкой полимеров, содержащихся в московских отходах, занимается множество мелких фирм, для которых эта деятельность не является основной. Ее стараются не афишировать, поскольку принято считать, что использование вторсырья при производстве продукции ухудшает ее качество.

Типичной компанией для данного рынка является производственный кооператив «Вторполимер», работающий напрямую с городской свалкой. Обитающие на свалке бомжи собирают там все пластмассовое: бутылки, игрушки, битые ведра, пленку и т. п. За определенную плату «товар» сдается посредникам, а они доставляют его во «Вторполимер». Здесь отслужившие свой век вещи моются и отправляются на переработку. Их сортируют по цвету, дробят и добавляют в пластмассу, которая идет на изготовление монтажных труб (они применяются при строительстве новых домов для изоляции электропроводки). Закупочная цена грязного пластикового лома — 1 тыс. руб. за т, чистого — 1,5 тыс. Более мелкие партии принимаются по цене 1 и 1,5 руб. за-кг соответственно.

Сортировка полимерных отходов осуществляется вручную. Основной критерий отбора — внешний вид изделия или соответствующая маркировка. Без маркировки упаковку из полистирола, поливинилхлорида или полипропилена визуально не различить. Бутылки чаще всего считают ПЭТ, пленку — полиэтиленом (конкретный вид ПЭ обычно не определяют), хотя она может вполне оказаться ПП или ПВХ. Линолеум — в основном ПВХ, вспененный полистирол (пенопласт) легко идентифицируется визуально, капроновые волокна и изделия технического назначения (шпули, втулки) обычно сделаны из полиамида. Вероятность совпадений при такой сортировке — около 80 %.

Анализ деятельности фирм, работающих на рынке вторичных материалов, позволяет сделать следующие выводы:

1) цены вторичных материалов на рынке определяются степенью их подготовки к переработке. Если взять за 100 % стоимость первичного полиэтиленового гранулята низкой плотности, то цена чистой измельченной подготовленной к переработке полиэтиленовой пленки составляет от 8 до 13 % стоимости первичного полимера. Цена агломерата полиэтилена — от 20 до 30 % стоимости первичного полимера;

2) цена большинства гранулированных вторичных полимеров, усредненных по составу, составляет от 45 до 70 % цены первичных полимеров;

3) цена вторичных полимеров сильно зависит от их цвета, то есть от качества предварительной сортировки полимерных отходов по цветам. Разница в цене вторичных полимеров чистых и смешанных цветов может достигать 10-20 %;

4) цены на изделия, полученные из первичных и вторичных полимеров, как правило, практически одинаковы, что делает использование вторичных полимеров в производстве исключительно выгодным.

В среднем цена на полимерные отходы, выделенные из ТБО, в зависимости от степени подготовленности, партии и вида колеблется от 1 до 8 руб./кг. Цены закупки у переработчиков в зависимости от партии и уровня загрязнения отражены в таблице 1.

Цена чистых отходов из ТБО обычно равна цене промышленных и коммерческих отходов.

Рыночная цена закупки переработчиком полимерных отходов из ТБО складывается из цены закупки посредником у населения (примерно 25 % стоимости), платы за формирование крупнотоннажных партий отходов, сортировку, прессование и даже отмывку для наиболее дорогого (чистого) сырья.

Цены на такие продукты, как агломерат и гранулят, составляют в среднем 12-24 руб./кг (полиамид дороже остальных — 35-50 руб./кг, ПЭТФ — от 20 руб./кг). Дальнейшая переработка повышает прибавочную стоимость в зависимости от вида продукции на 30-200 %.

Инвестиционная привлекательность

По мнению большинства экспертов, вкладывать средства в переработку отходов полимеров выгодно, но только при опоре на государственную поддержку и законодательную базу, ориентированную на интересы переработчиков вторичного сырья.

На сегодня московский рынок складывается из 20-30 небольших компаний, занимающихся переработкой полимерных отходов в основном промышленного происхождения. Для рынка в целом характерны неформальные связи переработчиков с поставщиками, большая доля компаний, для которых этот бизнес является побочным, а также низкие объемы переработки (12-17 тыс. т в год). Можно предположить, что при наличии со стороны переработчиков стабильного спроса на такие отходы объемы предложений будут расти.

Надо заметить, что то количество полимерных отходов, которое реально идет сегодня на вторичную переработку, составляет весьма незначительную часть городских ТБО. И это при том, что спрос на полимеры и изделия из них постоянно повышается, а проблема утилизации отходов все больше беспокоит городские власти.

Сдерживающим фактором при строительстве новых перерабатывающих производств является неразвитость системы сбора отходов и отсутствие серьезных поставщиков. Совпадение интересов частного бизнеса и государства в этой сфере неизбежно должно привести к принятию законов, отвечающих интересам переработчиков вторсырья.

Настоящее и будущее

1. Ежегодный объем переработки ПЭТ в столице — 4-5 тыс. т в год. В планах московских властей стоит организация до 2003 г. системы селективного сбора ПЭТ-тары и создание двух производственных комплексов по ее переработке мощностью 3 тыс. т в год. В настоящее время завершается строительство двух частных производств по переработке ПЭТ совокупной мощностью б тыс. т ежегодно.

В ближайшие месяцы правительством Москвы должны быть приняты нормативные акты, регламентирующие деятельность переработчиков полимеров (точное их содержание пока не известно). Существующих и строящихся мощностей достаточно для обеспечения потребностей рынка. Рассматривается возможность государственной поддержки проектов ГУП «Промотходы» и фирмы «Интэко» (потенциальные мощности по переработке — 7-8 тыс. т в год).

2. Объем переработки ПП в Москве составляет 4-5 тыс. т в год, хотя ежегодно в городе выбрасывается порядка 50-60 тыс. т — в основном это пленка и мешки «биг-бэг». После переработки ПП в виде гранул добавляется в первичное сырье либо целиком идет на производство пластиковой посуды, хозяйственных пакетов и т. п.).

Отсутствие масштабных проектов по вторичному использованию этого полимера (как в случае с ПЭТ) открывает широкие возможности для инвестирования. Наиболее выгодной на данном этапе является переработка вторсырья в гранулят, поскольку в области производства товаров народного потребления конкуренция гораздо жестче.

3. Объем переработки ПЭ — также 4-5 тыс. т в год. Основной вид сырья — пленка, в том числе сельскохозяйственная. Всего же в городе ежегодно выбрасывается порядка 60-70 тыс. т полиэтиленового мусора. Как правило, предприятия, занимающиеся переработкой ПЭ, также имеют дело и с ПП. Одна из крупных компаний, через которую проходит порядка 2,5 тыс. т в год- «Пластполитен».

ПЭ отличает высокая стойкость к загрязнению. Однако существующий запрет на применение вторичного полимерного сырья при изготовлении пищевой упаковки ограничивает возможность сбыта.

Таким образом, наиболее рациональным на сегодня представляется строительство производственного комплекса по переработке отходов полиэтилена, полипропилена и ПЭТ в гранулят.

Это производство обязано включать в себя:

а) сортировку (требует специального обучения персонала для снижения доли другого вида полимера, что очень важно для качества продукта);

б) мойку (наибольшие потенциальные объемы сырья обычно не отсортированы и не отмыты);

в) сушку, дробление, агломерирование.

Экономически наиболее выгодно расположить этот комплекс в ближнем Подмосковье, поскольку цены на электричество, воду, аренду земли и промышленных площадей там существенно ниже, чем в столице (см. таблицу 2).

Для эффективной работы подобного производства необходима поддержка государства. Возможно, имеет смысл частично пересмотреть существующие санитарные нормы переработки ТБО, а также обязать производителей полимерной продукции делать отчисления на переработку полимерных отходов. Кроме того, должны быть предприняты комплексные меры на уровне правительства Москвы и отдельных >ЖКХ, направленные на развитие системы селективного сбора и создание сети пунктов приема вторичного сырья.

Повышенный интерес государства к утилизации отходов уже отражен в бюджете: с 2002 по 2010 гг. на эти цели планируется израсходовать 519,2 млн. руб. из федерального бюджета. Бюджеты субъектов федерации предполагают выделить до 2010г. 11,4 млрд. руб. на реализацию программы «Отводы».

В 2001 г. Москва затратила на охрану окружающей среды 3,1 млрд. руб. На сегодняшний день стоимость уже реализуемых проектов по переработке бытовых отходов составляет 115,5 млн. руб.

Андрей Голиней,