Переработка полимеров что. "вторичная переработка полимеров". Как осуществляется переработка полимеров

Проникновение полимерных материалов в самые различные области применения, включая нашу повседневную жизнь, в настоящее время воспринимается во всем мире как нечто само собой разумеющееся. И это при том что их победное шествие началось сравнительно поздно – в 1950-х гг., когда объемы их производства составляли только около 1 млн т в год. Однако с ростом производства и потребления пластмасс постепенно обострялись и в настоящее время стали крайне актуальными проблемы утилизации использованных пластиковых изделий. В данном обзоре обсуждается опыт решения этих проблем в Европе, где ведущей в этом отношении является Германия.

Благодаря своим многочисленным преимуществам (в частности, высокой прочности, химической стойкости, возможности придания любой формы и любого цвета, низкой плотности), они быстро проникли во все области применения, включая строительную, автомобильную, авиакосмическую, упаковочную отрасли промышленности, производство бытовой продукции, игрушек, изделий медицинского и фармацевтического назначения.

Уже в 1989 г. полимерные материалы обогнали по объемам производства такой традиционный материал, как сталь (имеются в виду именно объемы, а не масса). В то время их ежегодный выпуск составлял около 100 млн т. В 2002 г. производство полимерных материалов преодолело планку в 200 млн т, а в настоящее время во всем мире ежегодно их производится уже почти 300 млн т. Если рассматривать вопрос в региональном плане, то за прошедшие десятилетия наблюдалось постепенное перемещение мощностей по производству полимерных материалов в направлении Востока.

В результате Азия превратилась в настоящее время в самый мощный регион, где сконцентрировано 44 % всех мировых мощностей. На полиолефины, являющиеся наиболее широко распространенной группой пластмасс, приходится 56 % от общего объема производства; второе место занимает поливинилхлорид, а за ним следуют другие традиционные полимеры – такие как полистирол и полиэтилентерефталат (ПЭТ). Только 15 % от всех производимых полимеров приходится на дорогостоящие материалы технического назначения, используемые в специальных областях. По прогнозам европейской ассоциации производителей полимеров PlasticsEurope (г. Брюссель), в дальнейшем будет продолжаться увеличение объемов выпуска полимерных материалов на душу населения с темпом около 4 % в год. Одновременно с таким успехом на рынке увеличивались и объемы использованных полимерных материалов и изделий. Если в период с 1960-х по 1980-е гг. промышленность полимерных материалов могла еще не уделять особого внимания вопросам целесообразной утилизации и повторного использования бывшей в употреблении продукции, то позднее (особенно после вступления в силу немецкого постановления об упаковках в 1991 г.) эти проблемы стали важной темой. В то время Германия взяла на себя роль первопроходца. Она стала первой страной, в которой были разработаны и реализованы на рынке нормы утилизации и вторичной переработки полимерных отходов. В настоящее время к решению этой проблемы подключились и многие другие европейские страны, разработавшие весьма успешные концепции сбора и вторичного использования полимеров.

Согласно данным ассоциации PlasticsEurope, в 2011 г. в 27 странах Евросоюза, а также в Швейцарии и Норвегии было использовано около 27 млн т полимерных материалов, из которых 40 % пришлось на продукцию краткосрочного применения и 60 % – на изделия долгосрочного применения. В том же году было собрано около 25 млн т бывших в употреблении полимерных материалов. Из них 40 % были подвергнуты захоронению, а 60 % – направлены на вторичную переработку. Более 60 % полимерных отходов поступило из систем сбора использованных упаковок. В меньших количествах бывшие в употреблении полимерные изделия были получены из секторов строительства, автомобилестроения и электроники.

Достойные подражания системы сбора отходов существуют в девяти европейских странах – Швейцарии, Германии, Австрии, Бельгии, Швеции, Дании, Норвегии, Голландии и Люксембурге (перечислены в нисходящем порядке). Доля собираемой использованной полимерной продукции в этих странах составляет от 92 до 99 %. Кроме того, в шести из перечисленных девяти стран обеспечивается самый высокий уровень вторичной переработки этих отходов в Европе: по этому показателю (от 26 % до 35 % от объема собираемых отходов) Норвегия, Швеция, Германия, Голландия, Бельгия и Австрия намного опережают другие страны. Оставшееся количество собираемых отходов подвергается энергетической утилизации.

Не может не радовать тот факт, что в течение последних пяти лет существенно увеличилось не только количество собираемых отходов, но доля отходов, одвергаемых вторичной переработке. Благодаря этому снизились объемы отходов, подвергаемых захоронению. Несмотря на это, сектор вторичной переработки полимерных материалов еще обладает огромными потенциальными возможностями для дальнейшего развития. В значительной степени это относится к странам с низким уровнем их утилизации.

Критически эксперты рассматривают возможности энергетического вторичного использования полимерных материалов, а именно их сжигания, которое многие считают целесообразным способом их вторичной переработки. В Германии 95 % всех мусоросжигательных установок относятся к предприятиям вторичной переработки отходов и, таким образом, имеют разрешение на энергетическое вторичное применение отходов. Оценивая эту ситуацию, Михаэль Скриба (Michael Scriba), коммерческий директор специализирующейся на переработке полимерных материалов компании mtm plastics (г. Нидергебра), отмечает, что с экологической точки зрения энергетическое вторичное применение отходов бесспорно хуже материального.

В рамках индустрии пластмасс вторичная переработка за последние годы превратилась в важный хозяйственный сектор. Еще одна важная проблема, препятствующая развитию сектора вторичной переработки в Европе, заключается в экспорте полимерных отходов, преимущественно на Дальний Восток. По этой причине в Европе остается относительно небольшое количество пригодных для целесообразной вторичной переработки отходов; это способствует существенному усилению конкурентной борьбы и повышению уровня затрат.

Мощная отрасль, поддерживаемая ассоциациями и компаниями

Начиная с 1990-х гг. в качестве инициаторов интенсификации вторичной переработки пластиковых отходов в Германии выступило несколько компаний и ассоциаций, которые посвятили свою деятельность именно этим проблемам и в настоящее время активно работают в европейском масштабе.

Прежде всего, речь идет о компании Der Gruene Punkt – Duales System Deutschland GmbH (DSD) (г. Кельн), которая была основана в 1990 г. как первая дуальная система и сегодня является лидером по предложениям систем обратного приема отходов. К ним относятся наряду с приближенным к домашнему хозяйству сбором и вторичным использованием торговых упаковок экологически безопасная и экономически эффективная вторичная переработка пластиковых элементов электрических приборов и электронной аппаратуры, а также транспортных упаковок, удаление отходов с предприятий и организаций, очистка использованной тары.

В 1992 г. в г. Висбадене была основана компания RIGK GmbH, которая как сертифицированное специализированное предприятие по обслуживанию компаний (разливочных, сбытовых, торговых и импортирующих), являющихся владельцами торговых марок, осуществляет обратный прием использованных и освобожденных от остатков продукции упаковок у своих немецких партнеров и направляет эти упаковки на вторичную переработку.

Важным игроком рынка является также компания BKV, которая была основана в 1993 г. с целью обеспечения гарантированной вторичной переработки полимерных упаковок, собираемых дуальными системами. В настоящее время компания BKV служит своеобразной базовой площадкой для вторичной переработки полимерных материалов, занимаясь наиболее существенными и актуальными проблемами в этой области.

В 1993 г. была основана и еще одна важная ассоциация – Bundesverband Sekundаеrrohstoffe und Entsorgung e. V. (bvse) (г. Бонн), происхождение которой связано с объединением Altpapierverband e. V. В секторе полимерных материалов она обеспечивает компаниям Германии профессиональную и определяемую своими внутриполитическими условиями помощь при заготовке и вторичном использовании полимерных отходов. Наряду с компанией BKV, которая входит в состав ассоциации GKV Gesamtverband Kunststoffverarbeitende Industrie e.V. (г. Бад Хомбург), существуют и другие объединения и организации, занимающиеся вопросами вторичной преработки полимерных материалов. К ним относятся, в частности, компания tecpol Technologieentwicklungs GmbH, специализирующаяся на экологически эффективном рециклинге пластиковых отходов, и специализированная группа по компаундированию и вторичной переработке в организации TecPart e. V., являющейся базовым объединением ассоциации GKV. В 2002 г. ведущие немецкие производители пластиковых профилей объединились в инициативную группу Rewindo Fenster-RecyclingService GmbH (г. Бонн). Основная цель при этом заключалась в увеличении доли подвергаемых вторичной переработке демонтированных полимерных окон, дверей и рольставней (см. фото у заголовка статьи), что способствовало бы повышению стабильности и степени ответственности при проведении хозяйственной деятельности.

Само собой разумеется, в решение проблем включились крупные, имеющие собственные рабочие группы по вторичной переработке пластмасс и в течение десятилетий успешно зарекомендовавшие себя на практике ассоциации полимер- ной промышленности – такие, как PlasticsEurope и IK Industrieverband Kunststoffverpackungen e. V. (г. Франкфурт).

Успешные проверенные технологии вторичной переработки

Точную информацию о вторичной переработке пластмасс в Германии предоставляют результаты анализа, которые с периодичностью один раз в два года публикуются по заданию входящих в состав VDMA компаний и ассоциаций – BKV, PlasticsEurope Deutschland e. V., bvse, Fachverband Kunststoff und Gummimaschinen, а также союза IK. Согласно этим данным, в Германии в 2011 г. образовалось около 5 млн т пластиковых отходов, наибольшая часть (82 %) которых – это отходы потребления. Из оставшихся 18 %, представляющих собой промышленные отходы, доля пригодных для вторичной переработки материалов может достигать 90 %. Как уже проверено на практике, рассортированные промышленные отходы могут быть успешно подвергнуты внутризаводской вторичной переработке непосредственно на тех предприятиях, где они образовались (фото 1).

В случае отходов потребления доля материального (то есть без сжигания и захоронения) вторичного использования составляет всего лишь 30–35 %. В этой области также уже существуют реализованные на практике способы вторичной переработки рассортированных по видам отходов. В качестве примеров можно привести опыт переработки поливинилхлорида (ПВХ) и ПЭТ. В результате своей 10-летней деятельности компания Rewindo, использующая собственную технологию вторичной переработки отслуживших свой срок поливинилхлоридных окон и дверей, завоевала прочное положение на рынке.

В последние годы объем вторичного ПВХ, производимого из собираемых бывших в употреблении изделий специализирующимися в этой области компаниями Tоеnsmeier Kunststoffe GmbH & Co. KG (г. Хектер) и Veka Umwelttechnik GmbH (г. Херзельберг-Хайних) поддерживался на уровне около 22 тыс. т с тенденцией к увеличению.

ПЭТ-бутылки также собираются и перерабатываются после надлежащей сортировки. Ассортимент новой продукции, изготавливаемой из получаемого при этом вторичного сырья, простирается от волокон и пленок до новых бутылок. Различные компании, такие как австрийские фирмы Erema GmbH (г. Ансфельден), Starlinger & Co. GmbH (Вена) и NGR GmbH (г. Фельдкирхен), создали специальные производственные линии для переработки ПЭТ. Недавно Европейское ведомство по безопасности пищевых продуктов EFSA опубликовало положительное заключение в отношении технологии recoSTAR PET iV+ производства вторичного ПЭТ, пригодного для изготовления пищевой упаковки (разработчик – компания Starlinger).

Мнение EFSA служит основным для сертификации подобных технологий Европейской комиссией и государствами – членами Евросоюза.

Чтобы добиться такого результата, заинтересованная компания должна доказать, что разработанные ею технология и оборудование для переработки полимерных отходов снижают степень загрязнения соответствующего ПМ до уровня, безопасного для здоровья человека.

Стандартный сценарий так называемых «провокационных» испытаний (challenge-test) на эффективность очистки вторичного ПЭТ, получаемого обычно из отходов в виде использованных бутылок, предусматривает использование пяти контрольных «загрязняющих» веществ – толуола, хлороформа, фенилциклогексана, бензофенона и линдана, отличающихся химическим составом, молекулярной массой и, следовательно, миграционной способностью. Сами испытания проводятся в несколько этапов.

Сначала промывают хлопья вторичного ПЭТ, после чего их «загрязняют» контрольным веществом с заданной концентрацией (3 промилле) и снова промывают. Затем производят переработку этих повторно вымытых ПЭТ- хлопьев по тестируемой технологии в регранулят ПЭТ и определяют остаточную концентрацию «загрязняющей» среды, по которой рассчитывают степень очистки вторичного ПЭТ. В заключение оба показателя сравнивают с предельно допустимыми для них значениями и делают выводы об эффективности очистки.

В дополнение к стандартным испытаниям компания Starlinger самостоятельно решила ужесточить их сценарий, проведя их в так называемых «худших» для материала условиях (Worst-Case-Szenario), при которых перерабатывались ПЭТ-хлопья, не вымытые после их загрязнения модельными средами. Предварительно перед каждым видом испытаний – для обеспечения чистоты эксперимента и стабильных условий его проведения – на установке recoSTAR PET 165 iV+ (фото 2) осуществляли переработку 80–100 кг прозрачного первичного ПЭТ, чтобы очистить рабочие органы установки от остатков предыдущей партии материала. Испытуемые же ПЭТ-хлопья окрашивались в синий цвет; поэтому выход из этой же установки регранулята ПЭТ только синего цвета свидетельствовал о том, что в процессе переработки не произошло его смешивания с чистым ПЭТ и выдерживался принцип FIFO (first-in, first-out: «первым вошел, первым вышел»). Результаты испытаний, проведенных по стандартному сценарию, показали, что процесс recoSTAR PET iV обеспечивает настолько эффективную очистку вторичного ПЭТ, что ее показатели находятся значительно выше порогового уровня EFSA (см. таблицу). Даже в случае линдана (нелетучее неполярное вещество) степень очистки была более 99,9 %, хотя пороговым значением является 89,67 %. Практически те же результаты показали испытания, проведенные по «ужесточенному» сценарию, за исключением бензофенона и линдана. Но и в этих случаях степень очистки ПЭТ удовлетворяла требованиям EFSA. Сокращенное название фирмы NGR расшифровывается достаточно амбициозно – как «Следующее поколение машин для рециклинга» (Next Generation Recyclingmaschinen). И став в мае этого года 100%-собственником фирмы BRITAS Recycling Anlagen GmbH (г. Ханау, Германия), NGR заметно усилила свои позиции на европейском и других региональных рынках мира. Дело в том, что фирма BRITAS известна как разработчик производитель фильтрующих систем для расплавов сильно загрязненных полимерных материалов, в том числе отходов потребительской упаковки (фото 3).

В свою очередь NGR разрабатывает и производит оборудование для вторичной переработки как промышленных так и потребительских полимерных отходов, имея разветвлен- ный рынок сбыта своей продукции.

Обе машиностроительные фирмы уверены в положительном синергетическом эффекте от состоявшегося объединения. Компания Gneuss Kunststofftechnik GmbH (г. Бад Эйнхаузен) достигла на рынке большого успеха благодаря своему экструдеру типа MRS (фото 4), на использование которого имеется даже допуск FDA (Food and Drug Administration) – управления министерства торговли США по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств. Кроме того, машиностроители предлагают различные системы для сушки, такие как инфракрасная вращающаяся труба компании Kreyenborg Plant Technology GmbH (г. Зенден), а также специальные системы фильтрации для переработки ПЭТ или технологии кристаллизации, такие как способ Crystall-Cut компании Automatik Plastics Machinery (г. Гросостхайм). Системы замкнутого цикла, такие как система PETcycle успешно применяются для изготовления новых бутылок из бывших в употреблении бутылок.

Резюмируя все вышеизложенное, можно констатировать, что система вторичной переработки ПЭТ с ежегодным объемом на уровне около 1 млн т успешно ре- ализуется в Европе. Аналогичная ситуация наблюдается в области переработки рассортированных полиолефиновых отходов, сортировка которых без особых осложнений реализуется с помощью соответствующих технологий их разделения. Только в Германии существуют десять крупных и множество мелких приготовительных предприятий, специализирующихся на производстве пригодного для литья под давлением вторичного гранулята из бытовых и промышленных полиолефиновых отходов. Этот гранулят может быть в дальнейшем использован для производства поддонов, ванн, ведер, труб и других видов продукции (фото 5).

Трудности вторичной переработки

Дополнительные сложности для вторичной переработки создают полимерные изделия, изготовленные из нескольких разных материалов, которые не могут быть с разумными затратами отделены друг от друга, а также полимерные упаковки, не поддающиеся полному опорожнению. Проблематичными для вторичной переработки являются и отходы в виде использованной потребительской пленки по причине значительного загрязнения поверхности, требующего значительных расходов на обработку.

По словам Скриба, в этой области хотя и существуют опытные эксперты по вторичному использованию, но отсутствуют реальные рынки сбыта европейского значения. Дополнительные осложнения возникают также при обращении с производимыми в большом многообразии ПЭТ-бутылками, не предназначенными для напитков; это существенно ограничивает объемы их вторичной переработки. До настоящего времени плохо поддаются рециклингу отходы из автомобильной промышленности и сектора электроники.

В таких проблемных случаях от переработчиков и машиностроителей требуются особые технические решения (фото 6). В частности, одно из таких решений, касающееся переработки поставляемых компанией DSD потребительских пленочных отходов, в недавнем прошлом компания Herbold Meckesheim GmbH (г. Меккесхайм) предоставила специализирующейся на утилизации отходов компании WRZ-Hоеrger GmbH & Co. KG (г. Зонтхайм). Поставленная «под ключ» производственная установка, состоящая из системы отделения посторонних веществ, стадии мокрого измельчения и уплотнительного устройства, позволяет перерабатывать ежегодно 7 тыс. т отходов в сыпучий агломерат с высокой насыпной плотностью, пригодный для изготовления изделий по технологии литья под давлением (фото 7).

В целом в программу поставок компании Herbold Meckesheim, известной и на российском рынке, входит разнообразное оборудование для переработки как сильно загрязненных, так и смешанных отходов, как твердых так и трудно перерабатываемых мягких отходов пластмасс – моечные установки и сушилки, шредеры, агломераторы, мельницы для тонкого измельчения.

Основными заявленными приоритетами при разработке оборудования являются его компактность, повышенная производительность и энергоэффективность. На выставке «К- 2013» фирма продемонстрирует ряд новинок, среди которых:

Новая механическая сушилка модели HVT с вертикальным расположением ротора, экономящая производственную площадь, удобная в обслуживании и потребляющая существенно меньшую энергию при сушке ПЭТ-хлопьев (фото 8);
измельчитель модели SML SB с принудительной шнековой пода- чей отходов в резательный узел, что позволяет уплотнить подаваемый материал и повысить благодаря этому производительность переработки (рис. 1);
машина для размалывания крупногабаритных твердых отходов в виде, например, плит или труб, считающихся наиболее трудным объектом переработки. Специально для переработки смешанных фракций компания Erema вместе с компанией Coperion GmbH & Co. KG (г. Штуттгарт) разработала комбинированную установку Corema для вторичной переработки и компаундирования отходов (фото 9). Характерной особенностью этой установки является ее пригодность для переработки широкого спектра материалов. По словам коммерческого директора компании Erema Манфреда Хакля Manfred Hackl), речь идет в данном случае об оптимальном решении для переработки получаемых экономичным способом смешанных отходов, в частности, для изготовления из отходов полипропиленовых нетканых материалов компаунда, содержащего 20 % талька, или для переработки отходов в виде смеси ПЭ и ПЭТ с добавками. Другим удачным примером объединения усилий нескольких партнеров для решения задач в области вторичной переработки является поточная линия по вторичной переработке бывших в употреблении сельскохозяйственных пленок, рециклинг которых сложен и затратен из-за их малой толщины, мягкости и загрязненности. Задачу удалось решить, объединив в одной линии специально оптимизированный измельчителяь модели Power Universo 2800 (производитель – компания Lindner reSource) и экструзионную установку для вторичной переработки полимерных материалов модели 1716 TVEplus производитель – компания Erema), что позволило получать высококачественный регранулят.

Оборудование, универсальное с точки зрения формы перерабатываемых в регранулят отходов (пленки, волокна, хлопья ПЭТ-бутылок, отходы вспененных полимерных материалов), предлагает австрийская фирма ARTEC Machinery. Толчком к дальнейшему развитию и расширению производственных возможностей послужило ее 100%-е вхождение в 2010 г. в «семейную» группу GAW Technology, членом которой является также фирма ECON, дополняющая программу поставок соответствующими экструзионными линиями для переработки в регранулят измельченных отходов. За счет конструкторскотехнологической модернизации выпускаемого оборудования за эти годы удалось поднять в среднем на 25 % его производительность. Модульный принцип, который исповедует ARTEC при проектировании своих установок, позволяет, как из кубиков, собирать и монтировать оборудование для конкретного применения, которое в настоящее время выпускается с производительностью от 150 до 1600 кг в час (рис. 2).

Специфическая экструзионная установка с экструдером типа MRS (см. фото 4), предназначенная для переработки измельченных отходов из полиамида ПА11, была поставлена также компанией Gneuss британской фирме K2 Polymer.

Исходный материал получают в результате измельчения глубоководных нефтепроводов, которые становятся ненужными после того, как иссякнет источник нефти, и должны быть извлечены на сушу.

Экструдер MRS (Multi Rotation System) позволяет без применения химической очистки обеспечить одноступенчатую очистку и переработку этих высококачественных, но сильно загрязненных за время многолетнего контакта с нефтью полимерных отходов. Этот перечень можно было бы дополнить и многими другими примерами. В заключение следует отметить, что сектор вторичной переработки за последние годы превратился в важную сферу хозяйственной деятельности. Несмотря на то что многие технологии уже успешно прошли проверку практикой, в области вторичной переработки остаются большие потенциальные возможности для дальнейшего развития. Решение существующих проблем должно начинаться с разработки и изготовления в максимальной степени пригодных для вторичной переработки полимерных изделий.

Определенные возможности для продвижения вперед остаются также в области разработки оптимизированных технологических решений и создания соответствующего оборудования для переработки сложных отходов.

В известной степени прогрессу в этой области могут способствовать и политические меры, которые должны в каждой стране обеспечивать более широкое внедрение оптимальных концепций сбора и вторичной переработки отходов.

Новые и проверенные решения в области вторичной переработки полимерных материалов будут широко представлены с 16 по 23 октября 2013 г. на Международной выставке «К» в Дюссельдорфе.

Подготовил к. т. н. В. Н. Мымрин
с использованием пресс-материалов выставочной компании Messe Duesseldorf
Recycling of Plastics in Europe:
New and Proven Solutions The penetration of plastics in a v ariety of
applications, including our d aily liv es, ar e now seen worldwide as a matter of course. And this
despite the fact that their winning streak started relatively late – 60 years ago, when their output
accounted for only about 1 million tons per year.

However, with the gr owth of pr oduction and consumption of plastics gradually sharpened
and has now become a critical problem disposing of used plastic pr oducts. Although many
processes hav e alr eady become established, recycling still has plenty of potential for
improvement. A first step could be the recyclable design of plastics items that should be examined
closely with a view to later r ecovery. Suitable recycling processes and machine solutions for the
processing of problematical wastes offer a good deal of scope for further dev elopment. This
review discusses the experience of solving these problems in Eur ope, wher e the leading in this
respect is Germany.

Оборудование для переработки пластика (полимеров) – это специальные станки и дополнительные устройства, объединенные в производственную линию, которая служит для обработки или переработки полимеров (пластмасс) в полезные и ценные материалы для дальнейшего использования в строительной, текстильной, химической, нефтяной и иных областях промышленности.

Классификация оборудования для переработки пластика

В зависимости от функциональных особенностей и назначения все оборудование для переработки пластика разделяют на:

1. Оборудование для хранения и дозирования материалов/сырья. Как правило, это бункеры с устройствами для сортировки (фильтрации) и выгрузки материалов/сырья.
2. Аппараты для транспортировки. Они бывают вакуумными или пневматическими.
3. Машины для измельчения и разлома – дробилки, бегуны, шредеры, гидроразбиватели, кавитаторы и прочие.
4. Смесители. Используются для механического разделения веществ посредством взаимного перемещения частиц.
5. Валковые машины. Необходимы для формирования (создания) разлома и дробления полимерных композиций.
6. Экструзионное оборудование. С его помощью полимерные материалы перерабатывают в те или иные изделия посредством непрерывного продавливания расплавленного сырья через формирующую головку, геометрическая форма которой определяет профиль конечного изделия.
7. Литьевые машины. Это оборудование для переработки полимеров, применяемое для изготовления пластиковых композиций из порошкообразного или гранулированного сырья, которое перемещают или сдавливают в формирующей полости литьевой формы, где оно затвердевает, а после остывания извлекается.
8. Машины для экструзионно-раздувного формования. Их, согласно методу формирования изделия из заготовки, делят на раздувные, экструзионные и литьевые механизмы.
9. Вулканизационные машины и прессы. Бывают непрерывного или периодического действия и используются для создания изделий из порошкообразного или гранулированного сырья.
10. Наносные и пропиточные машины. Применяются для нанесения полимерных покрытий на специальную подложку.
11. Моечные комплексы. Необходимы для предварительной очистки полимера после грануляции или измельчения, но до его переработки.

Машины для переработки пластика

Основными машинами из большого количества разновидностей специального оборудования для переработки полимеров считаются следующие агрегаты:

• дробилки – агрегат действует по принципу блендера, разрезая цельные изделия на небольшие кусочки;
• агломераторы – в них небольшие кусочки полимера подвергаются еще большему дроблению, а затем спеканию в небольшие комочки;
• грануляторы – с их помощью смесь, полученная из агломератора, нагревается и разрезается на гранулы.

Менее важным, но все же необходимым считается следующее оборудование по переработке пластика:

• узлы моечной линии;
• транспортировочные узлы;
• разного вида сепараторы;
• сушилки.

Оборудование для запуска мини-завода

Для того чтобы запустить небольшой завод по утилизации пластика, требуется следующее оборудование для обработки полимеров.

1. Основное оборудование:
   • дробилка или шредер;
   • агломератор;
   • при необходимости – гранулятор.
2. Дополнительное оборудование:
   • ванна горячей мойки;
   • 1-2 центрифуги;
   • экструдеры для рециклинга;
   • ситозаменители;
   • смесители и дозаторы;
   • флотационная мойка;
   • соединяющие агрегаты (пневмо- или вакуумный транспорт).
   • модуль управления.

Основные производители агрегатов для переработки полимеров

Наиболее востребованными производителями оборудования для переработки пластика являются следующие компании:

Европейские.

1. HGMA Wulf GmbH – немецкий производитель с отличной репутацией, который изготавливает не только оборудование для первичной и вторичной обработки полимеров, но и землеройную и строительную технику.
2. Global Tech – польская фирма, делающая быстрые и надежные стационарные и мобильные дробилки.
3. Herbold Meckesheim – отличный немецкий производитель агрегатов для всего цикла обработки и переработки пластмасс.

Китайские.

1. China IS-MAC Machinery – самый крупный китайский производитель экструзионного оборудования для переработки пластиковых бутылок и прочих пластмасс.
2. LISHENG INDUSTRIAL – производитель моек, дробилок, печатных машин и другого оборудования.
3. Blue Ocean – изготавливает экструзионные машины и установки для литья.

Российские.

1. ГК Полимер Систем Групп (Новосибирск) – производит все необходимое для обработки полимеров.
2. ENGEL Austria GmbH (Москва) – делает термопласт-автоматы для литья из пластмасс, агрегаты для переработки резины/силикона и прочее.
3. СтанкоПэт (Москва) – производит почти весь спектр оборудования для переработки пластика.

Рентабельность оборудования для переработки полимеров

Примерная смета по комплектации небольшого завода по переработке полимеров будет включать в себя расходы на:

• закупку линии оборудования для переработки пластиковых бутылок – около 10 000 долларов;
• перевозку и установку оборудования – до 15% от стоимости оборудования (1 500 долларов);
• оплату труда сотрудникам – около 7 000 долларов;
• аренду (+ ремонт) помещения – 10 000 долларов;
• прочие мероприятия – 5 000 долларов.

При этом тонна переработанного пластика стоит около 750 долларов, в то время как закупка сырья обойдется в 100 долларов за тонну.
Указанный уровень инвестиций рассчитан на мини-завод с закупкой оборудования для переработки пластиковых бутылок и схожих полимерных изделий с производительностью 1 тонна в день, т.е. с доходом от 7 000 до 9 000 долларов в месяц. При такой окупаемости завод начнет приносить чистую прибыль на второй год своей деятельности (через 15-20 месяцев).

Следует уточнить, что срок окупаемости, как и затраты на открытие завода, могут быть меньше, если:

• будут получены преференции со стороны государства;
• завод будет открыт недалеко от места, где сортируется пластмасса для последующей переработки;
• на завод будут выделены безвозмездные инвестиции из международных фондов по защите природы.

Получение сырья и его сбыт

В зависимости от линии производства и пожелания владельца, завод по переработке пластмасс может производить гранулированное или порошкообразное полимерное сырье. Сбыт подобной продукции, как правило, не является чем-то сложным, поскольку она пользуется большим и постоянным спросом в следующих направлениях:

• производство нетканых материалов;
• изготовление строительных материалов;
• производство полимерных изделий народного употребления;
• изготовление химических волокон;
• в качестве добавки к первичному сырью (удешевляет себестоимость).

Заводы с соответствующими линиями производства широко представлены во всех регионах и остро нуждаются в дешевом сырье.

Кроме того, линию по переработке полимеров можно продлить дополнительным оборудованием и уже самостоятельно изготавливать некоторые виды изделий из пластика. Например:

• упаковочные сетки для овощей и фруктов;
• мешки для мусора;
• пакеты;
• мебельную фурнитуру;
• полимерную черепицу;
• различные трубы, формы, детали для сантехники или канализации;
• аксессуары или технические детали для автомобилей;
• емкости для хранения жидкости;
• прочие небольшие изделия из полимера.

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,

Использование вторичного сырья в качестве новой ресурсной базы ‑ одно из наиболее динамично развивающихся направлений переработки полимерных материалов в мире. Для России оно является новым. Однако интерес к получению дешевых ресурсов, которыми являются вторичные полимеры, весьма ощутим, поэтому мировой опыт их вторичной переработки должен быть востребован.

В странах, где охране окружающей среды придают большое значение, объемы переработки вторичных полимеров постоянно увеличиваются. Законодательство обязывает юридических и частных лиц выбрасывать полимерные отходы (гибкую упаковку, бутылки, стаканчики и т. д.) в специальные контейнеры для их последующей утилизации. Сегодня на повестку дня становится не только задача утилизации отходов полимерных материалов, но и восстановления ресурсной базы. Однако возможность использования полимерных отходов для повторного производства ограничивается их нестабильными и худшими по сравнению с исходными полимерами механическими свойствами. Конечная продукция с их использованием часто не удовлетворяет эстетическим критериям. Для некоторых видов продукции использование вторичного сырья вообще запрещено действующими санитарными или сертификационными нормами. Например, в ряде стран действует запрет на использование некоторых вторичных полимеров для производства пищевой упаковки.

Сам процесс получения готовой продукции из вторичных пластиков связан с рядом трудностей. Повторное использование утилизируемых материалов требует особой перенастройки параметров технологического процесса в связи с тем, что вторичный материал изменяет свою вязкость, а также может содержать неполимерные включения. В некоторых случаях к готовой продукции предъявляются особые механические требования, которые просто невозможно соблюсти при использовании вторичных полимеров. Поэтому для использования вторичных полимеров необходимо достижение баланса между заданными свойствами конечного продукта и средними характеристиками вторичного материала. Основой для подобных разработок должна стать идея создания новых изделий из вторичных пластиков, а также частичной замены первичных материалов вторичными в традиционных изделиях. В последнее время процесс вытеснения первичных полимеров на производствах настолько интенсифицировался, что только в США производится более 1400 наименований изделий из вторичных пластмасс, которые раньше производились только с использованием первичного сырья.

Таким образом, продукты вторичной переработки пластмасс могут использоваться для производства изделий, ранее производимых из первичных материалов. Например, возможно производство пластиковых бутылок из отходов, т. е. переработка по замкнутому циклу. Также вторичные полимеры пригодны для изготовления объектов, свойства которых могут быть хуже, чем у аналогов, изготовленных с использованием первичного сырья. Последнее решение носит название "каскадной" переработки отходов. Она с успехом применяется, например, компанией FIAT auto, которая перерабатывает бамперы отслуживших свой срок автомобилей в патрубки и коврики для новых машин.

Проблемы и перспективы повторного использования пластиков мы рассмотрим на примере полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена, полипропилена и полистирола.

ПЭТ

ПЭТ обладает достаточно стабильными механическими свойствами. Поэтому вторичный материал на его основе достаточно легко поддается переработке. Основным сырьем для переработки служат столь распространенные пластиковые бутылки из-под напитков. Важно и то, что вторичный ПЭТ гомогенизируется легче, чем другие вторичные пластмассы. В развитых странах сбор ПЭТ-отходов в достаточной степени налажен, как и технология их переработки. Общемировой объем переработки вторичного ПЭТ достигает 1 млн т ежегодно.

Процесс переработки ПЭТ-отходов не требует их пластификации. Они отсортировываются от других видов полимерной тары (на основе ПВХ или ПЭ), затем измельчаются, проходят мойку и очистку от этикеток, клеев, остатков пакуемых составов и прочих загрязнителей, а после этого агломерируются или гранулируются. Вторичным ПЭТ-полимерам при переработке свойственны те же проблемы, что и исходной ПЭТ-основе: низкий порог неньютоновского поведения (когда скорость сдвига сказывается на изменении вязкости полимера), чувствительность к нагреву и, наконец, необходимость просушки. Более того, в процессе сушки, и переработки вторичный материал претерпевает некоторую потерю вязкости, что вызвано не только температурными и деформирующими воздействиями в процессе пластикации полимера, но и присутствием загрязнителей (влаги, клея, красителей и т. д.). Эти факторы приводят к снижению молекулярной массы полимера. В таблице 1 приведены величины прочности (σ) и относительного удлинения (ε) при разрыве пленочных образцов из первичного ПЭТ и образцов переработки вторичного ПЭТ экструзией с предварительной сушкой и без сушки. Недостаточная сушка утилизируемой основы может значительно ухудшить свойства вторичного материала.

Таблица 1

Область их дальнейшего применения перерабатываемых ПЭТ-отходов определяют их молекулярные веса. Молекулярный вес ПЭТ рассчитывается исходя из его характеристической вязкости. В таблице 2 приведен диапазон ее значений для различных областей применения ПЭТ.

Таблица 2. Характеристическая вязкость ПЭТ в зависимости от области применения

Очевидно, что вторичные полимеры, лежащие в основе различных видов продукции и, соответственно, обладающие разными молекулярными весами (характеристической вязкостью), требуют совершенно разных технологий вторичной переработки. Вторичный ПЭТ не всегда может служить основой для повторного производства исходной продукции.

Другая проблема переработки ПЭТ-отходов связана с вероятным присутствием в них ПВХ. Даже при тщательной сортировке ПЭТ-бутылок есть вероятность попадания ПВХ и ПЭ примесей в состав вторичного материала. При температуре переработки ПЭТ ПВХ разлагается, выделяя соляную кислоту, которая вызывает интенсивную деструкцию полимера. Поэтому нужно максимально снизить присутствие ПВХ в составе ПЭТ-отходов. Допустимое содержание ПВХ не превышает 50 промилле.

Чаще всего ПЭТ-отходы используются повторно для производства пластиковых бутылок, пленок и волокна. Реологические и механические свойства вторичного состава ПЭТ позволяют использовать при изготовлении емкостей для моющих средств, что делает его хорошей альтернативой ПВХ и ПЭВП. Вторичный ПЭТ также часто используется в качестве промежуточного слоя при производстве трехслойной аморфной пленки и выдуве трехслойных ламинированных бутылок с внешними слоями из первичного полимера. Применение соэкструзии смесей из переработанного вторичного и первичного ПЭТ позволяет улучшить реологические свойства вторичного полимера, сделав его более пригодным для выдува.

Не менее важной областью применения вторичного ПЭТ является производство волокон. Процесс формования волокна требует от пластифицируемого вторичного полимера тех же реологических свойств (градиента скорости потока и неизотермального вытягивания), которыми обладает первичный полимер. Как правило, ПЭТ-волокно, формируемое из вторичной основы, имеет механические свойства, удовлетворяющие условиям производства широкой гаммы продуктов.

Вторволокно перерабатывается в текстиль или тканые основы для производства одежды и ковровых покрытий. Эти приложения могут использовать до 100 % вторичного полимера. Чаще всего ПЭТ-волокно применяют в качестве синтетического утеплителя для зимней одежды либо готовой плисовой фактуры для ее пошива одежды.

У ПЭТ-волокна есть ряд преимуществ перед другими синтетическими волокнами. Например, ковры из ПЭТ-волокна не теряют цвет и не требуют специальной химической обработки, необходимой коврам из нейлоновых волокон. ПЭТ-волокна и окрашиваются легче, чем нейлон. Волоконные полотна из ПЭТ, изготовленные по технологии melt-blown, применяются для производства шумоизолирующих материалов, геотекстиля, фильтрующих и абсорбирующих элементов, синтепона. Наконец, небольшой объем вторичного ПЭТ используется для изготовления автомобильных компонентов, электротехнических изделий, различной фурнитуры методом литья под давлением.

Полиэтилен

Из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и линейного полиэтилена (ЛПЭНП) изготавливаются пленки для бытовой упаковки (в том числе пластиковые пакеты, сумки и мешки) и для промышленной упаковки (например, мешки для сельхозудобрений), которые и являются сырьем для дальнейшей вторичной переработки. В первом случае переработка достаточно проста, т. к. качество вторматериала очень близко к качеству первичного полимера из-за короткого жизненного цикла продукта. Полимер подвергается воздействию внешних факторов на непродолжительный срок и претерпевает лишь незначительный распад структуры. В большей степени структура материала страдает в процессе его регенерации посредством пластификации. Другим источником неудовлетворительных свойств переработанного вторичного материала может служить использование отходов с разными молекулярными структурами (например, одновременно ПЭНП и ЛПЭНП), что непременно приводит к снижению механических свойств получаемого материала.

При вторичном использовании промышленной упаковки дело обстоит несколько сложнее. Как правило, пленка промышленного назначения имеет больший жизненный цикл, чем бытовая. Воздействие солнечных лучей, температурных колебаний и т. д. также оказывает пагубное воздействие на структуру полимера. Ко всему прочему, использованные промышленные полиэтиленовые пленки могут содержать значительные загрязнения в виде пыли и мелкодисперсных компонентов, которые практически невозможно удалить даже при самой тщательной мойке. Естественно, это негативно сказывается на свойствах вторичных материалов.

Применение всех вторичных пластиков рассчитывается исходя из их усредненных свойств. В случае ПЭНП и ЛПЭНП можно с той или иной степенью уверенности утверждать, что полимерное сырье вторичных пленок этих типов может перерабатываться в тех же условиях (и примерно с теми же конечными свойствами), что и первичные пластики. В качестве примеров утилизации ПЭНП можно назвать повторное производство пленки для бытовой и торговой упаковки, пакетов для несыпучего мусора, а также садовой мульчирующей пленки. Свойства материала готовой продукции очень близки к свойствам первичной полимерной основы, однако количество циклов повторной переработки "продукта в продукт" ограничено из-за ухудшения свойств полимера в процессе многократно повторяющегося процесса плавления материала. На последнем цикле утилизируемая пленка годна лишь для производства садовой мульчирующей пленки, от которой требуются достаточно скромные механические свойства (нередко в нее добавляется обыкновенная сажа).

Стретч-пленки имеют полимерные добавки, которые проявляют себя как загрязнители, требуя значительного добавления первичного сырья: вторичная стретч-пленка смешивается в низкой пропорции (15-25 %) с первичным полимером. При вторичной переработке пленки агропромышленного происхождения возникает ряд трудностей, вызванных не только ухудшением механических свойств полимерной основы и посторонними включениями, но и фотоокислительными процессами, снижающими оптические свойства материала. Получаемая вновь пленка приобретает желтый оттенок.

В настоящее время наиболее перспективным направлением переработки отходов из ПЭНП и ЛПЭНП (да и из любых других полимеров) считается создание промежуточных материалов для замены традиционных материалов из дерева. Основное преимущество полимерного вторсырья над деревом - его биологическая стойкость: полимеры не подвергаются разрушению микроорганизмами и могут длительное время находиться в воде без угрозы для структуры. Для улучшения механических свойств в состав полимеров вводятся различные инертные добавки, например, пылевидная древесная стружка или волокна. Рынок такой продукции огромен. Компания US Plastic Lumber Corp. оценивает его в 10 млрд долл.

Из полиэтилена высокой плотности изготавливаются, например, канистры для жидких продуктов. Процесс переработки ПЭВП-отходов требует специальной очистки вторпродуктов (например, емкостей для ГСМ). Кроме того, часто возникают проблемы, связанные с разрушением ПЭВП в процессе пластификации по причине сопровождающих процесс больших механических усилий. Область применения вторичного ПЭВП весьма широка и отличается многообразием технологических процессов. Он часто используется для производства пленки, емкостей самого разного объема, ирригационных труб, различных полуфабрикатов и т. д. Наибольшее применение вторичный ПЭВП нашел в производстве емкостей (канистр) методом выдувного формования. Реологические свойства вторично перерабатываемых полимеров высокой плотности не позволяют выдувать большие емкости, поэтому объем таких канистр ограничен. Типичная область использования канистр на основе ПЭВП-отходов ‑ упаковка ГСМ и моющих средств.

Канистры могут изготавливаться либо полностью на основе полимерных отходов, либо со экструзией с первичным гранулятом. В последнем случае слой вторполимера формирует сердцевину между двумя слоями первичного полимера. Канистры, полученные таким путем, используют для розлива моющих средств целый ряд компаний (Procter & Gamble, Unilever и т. д.).

Другой пример массовой продукции из вторичного ПЭВП ‑ ирригационные трубы. Как правило, они изготавливаются из смеси вторичного и первичного полимеров в разных соотношениях. Учитывая, что ирригационные трубы не предназначены для использования под давлением, механические свойства вторичного ПЭВП как нельзя лучше подходят для их производства. Высокую вязкость ПЭВП, полученного при переработке канистр и пленок, часто удается компенсировать низкой вязкостью первичного полимера, за счет чего можно улучшить ударопрочность. Производство труб с большим диаметром из вторичного ПЭВП ‑ тоже не проблема: диаметр ирригационных и дренажных труб достигает 630 мм.

При использовании технологии литья под давлением процентное содержание вторичного пластика ниже. Эта технология применяется для изготовления обшивочных панелей, коммунальных мусорных контейнеров и т. д. Рынок обшивочных панелей очень привлекателен благодаря своей большой емкости. Подсчитано, что один только рынок США потребляет 2 млрд единиц обшивочных панелей и досок, в качестве которых все еще используются традиционные пиломатериалы.

Что касается производства пленки с повышенной стойкостью к ударным воздействиям и высокой прочностью на разрыв, то в этом случае вторичный ПЭВП может быть использован только с добавками ПЭНП и ЛПЭНП.

Полипропилен

Основным источником вторичного полипропилена являются пластиковые короба, корпуса аккумуляторных батарей, бамперы и другие пластиковые детали автомобилей. В меньшей степени вторичной переработке подвергаются упаковочные изделия из этого материала. Качество вторичного ПП зависит от условий, в которых находилось изделие в процессе эксплуатации. Чем меньше оно пострадало от внешних воздействий, тем ближе свойства вторичного материала к свойствам первичного. Однако условия эксплуатации редко бывают столь благоприятными. Лишь в редких случаях автомобильные пластиковые компоненты могут быть переработаны по замкнутому циклу: например, компания Renault при производстве модели Megane использует переработанные бамперы из ПП для изготовления новых. Как правило, вторичный ПП используется для производства других автомобильных деталей, к которым предъявляются менее жесткие требования, ‑ вентиляционных патрубков, уплотнений, ковриков и т. д. Этот пример укладывается в классическую схему каскадной утилизации.

Вторичный ПП также используется в различных смесях с первичным ПП или другими полиолефинами при литье под давлением (короба, корпуса) или экструзии (различные профили и полуфабрикаты).

Полистирол

Возможности вторичной переработки полистирольных отходов гораздо скромнее. Это объясняется меньшей диффузией по сравнению с другими пластиками и, самое главное, меньшей разницей в цене между исходным и вторичным сырьем. Кроме того, изделия из полистирола в процессе производства часто претерпевают значительную объемную вытяжку, что усложняет вторичную переработку и сказывается на общей себестоимости утилизации. Очень небольшая часть полистиролов, бывших в употреблении, перерабатывается в исходные продукты. Примерами повторного использования полистирольных отходов являются изоляционные панели, упаковочные материалы, утепляющая обшивка труб и другие изделия, в которых оптимальным образом могут быть использованы хорошие термоизоляционные, шумопоглощающие и ударопрочные свойства вторичного полистирола. В ряде случаев структура перерабатываемого полистирола уплотняется за счет использования специальных переходных технологий, и полученный таким образом материал используется в областях применения кристаллического полистирола. Наиболее интересное применение такого материала ‑ производство профилей, ранее изготавливавшихся только из дерева (оконных рам, полов и т. д.). В этом случае свойства переработанного полистирола ничем не уступают свойствам дерева, а по показателям длительности жизненного цикла в естественных условиях даже превосходят его.

Смеси пластиков

Утилизация изделий, состоящих из комбинации различных полимеров, является насколько трудоемкой, настолько и перспективной задачей. С одной стороны, при создании вторичных материалов с допустимыми механическими свойствами из смесей пластиков отпадает необходимость в первичной (на коммунальном уровне) и вторичной (на уровне утилизационного производства) сортировке бытового и промышленного мусора, что должно положительно сказаться на себестоимости переработки. С другой стороны, свойства получаемых материалов не очень-то хороши, т. к. полимеры, составляющие их основу (преимущественно ПЭ, ПП, ПЭТ, ПС и ПВХ), несовместимы между собой и образуют многокомпонентную систему с низким межфазным взаимодействием. Более того, присутствие загрязнителей ‑ частиц бумаги, металла, красителей ‑ приводит к дальнейшему ухудшению физико-механических свойств.

Практически во всех случаях свойства смеси оказываются намного хуже свойств каждого компонента по отдельности. Для достижения видимых успехов в утилизации многокомпонентных отходов необходимо вести переработку с максимально коротким циклом. Задача состоит в том, чтобы, с одной стороны, избежать лишних материальных затрат, а с другой ‑ сократить время переработки, не давая возможности полимерам, входящим в состав материала, начать разрушаться. По этой причине необходимо выдерживать рабочую температуру низкой, даже несмотря на то, что определенные компоненты (например, ПЭТ) останутся в твердом состоянии и будут вести себя как инертные наполнители. Необходимо также выбирать им приложения, которые не требуют высоких механических свойств и не обладают значительными габаритами. Только так можно избежать серьезного влияния себестоимости переработки на конечную стоимость изделия, а также нивелировать невысокие механические свойства многокомпонентного полимера малыми размерами изделий, формируемых из него.

Оборудование

Различные виды оборудования для переработки полимерных отходов производятся во всех развитых индустриальных странах. Есть производители отдельных видов оборудования для «рециклинга» и в СНГ ‑ например, ОАО "Кузполимермаш" (Россия), Барановичский станкостроительный завод (Беларусь).

Однако в комплексных решениях нет равных таким известным европейским фирмам, как Erema GmbH, Artoc Maschinenbau GesmbH, NGR GmbH, General Plastics GmbH (Австрия), Gamma Meccanica, Tria S.p.A. (Италия), Erlenbach GmbH, Sikoplast Maschinenbau, Heinrich Koch GmbH (Германия), ORVAK (Швеция). Сегодня эти компании активно выходят на российский рынок.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Гродненский государственный университет имени Янки Купалы"

Факультет строительства и транспорта

Контрольная работа

по дисциплине «Технология материалов»

Переработка полимеров и полимерных материалов

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев - мономеров.

Рис. 1. Схема строения макромолекулы полимера:

а) - цепеобразные молекулы; б)- боковые связи

Обладая способностью при определенных условиях последовательно соединяться друг с другом, мономеры образуют длинные цепи (рис. 1) линейной, разветвленной и сетчатой структурами связи- в результате чего получают макромолекулы полимера.

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. Синтетические полимеры получают при переработке угля, природного и промышленного газа, нефти и другого сырья. По химической структуре полимеры делятся: линейные, разветвленные, сетчатые и пространственные.

В зависимости от изменения свойств при нагреве, полимеры разделяют на две основные группы: термопластичные и термореактивные. Первые из них образуются на базе новолачных смол, а вторые - на базе резольных смол.

1.Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, переходя сначала в высокоэластичное, а затем в вязко-текучее состояние; при охлаждении они затвердевают. Процесс этот является обратимым, т. е. его можно повторять многократно. К термопластам относят полимеры с линейной и разветвленной структурой связи; у них мономеры связаны один с другим только в одном направлении. При повторном нагревании такие химические связи не разрушаются; молекулы мономеров приобретают гибкость и подвижность. Из термопластов изготовляют изделия прессованием, литьем под давлением, непрерывным выдавливанием (экструзией) и другими способами. Наиболее распространенными термопластами являются полимеризационные материалы (полиэтилен, полипропилен, полихлорвинил, полистирол, фторопласты и другие) и поликонденсационные (полиамидные, полиуретановые, анилино-формальдегидные, феноло-формальдегидные смолы и др.), выпускаемые в виде порошков, крошки, листов, стержней, труб и т. п.

2.Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагреве сначала размягчаются, если они были твердыми, а затем переходят в твердое состояние. Процесс этот является необратимым, т. е. при повторном нагреве такие полимеры не размягчаются. К реактопластам относят полимеры с сетчатой или сшитой структурой связи. Такие полимеры образуют в гигантских макромолекулах двух- или трехмерные связи, т.е. их мономеры или линейные молекулы жестко связаны между собою и не способны взаимно перемещаться. Наиболее распространенными реактопластами являются поликонденсационные материалы - фенопласты, получаемые на основе феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Детали и изделия из термопластов получают горячим прессованием, литьем под давлением, механической обработкой.

В настоящее время изделия из пластических масс производят весьма разнообразными методами. При этом выбор метода изготовления изделий обусловлен видом полимера, его исходным состояние, а также конфигурацией и габаритами изделия.

Основная задача при переработке полимерных материалов заключается в замедлении отрицательных процессов и создании необходимой структуры материала. Самыми простыми приемами для достижения этой цели являются регулирование температуры, давления, скорости нагрева и охлаждения материала. Кроме того, используют стабилизаторы, увеличивающие стойкость материала против старения, пластификаторы, понижающие вязкость материала и повышающие гибкость молекулярных цепей, а также различные наполнители.

Прежде чем перейти к обсуждению разнообразных методов переработки полимеров, напомню, 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.

При переработке в изделия термопласты подвергают воздействию теплоты, механического давления, кислорода воздуха и света. Чем выше температура, тем материал пластичнее и тем легче проходит процесс переработки. Однако под влиянием высоких температур и названных выше факторов в полимерах происходят разрыв химических связей, окисление, образование новых нежелательных структур, перемещение отдельных участков макромолекул и макромолекул относительно друг друга, ориентация макромолекул в различных направлениях, причем прочность материала в направлении ориентации возрастает, а в поперечном направлении уменьшается. При получении пленок и тонкостенных изделий это явление играет положительную роль, во всех остальных случаях оно вызывает структурную неоднородность и служит причиной возникновения остаточных напряжений.

Особенность переработки в изделия реактопластов состоит в сочетании процессов формования с отверждением, т. е. с химическими реакциями образования сшитой структуры макромолекул. Неполное отверждение ухудшает свойства материала. Достижение необходимой полноты отверждения даже в присутствии катализаторов и при повышенных температурах требует значительного времени, что увеличивает трудоемкость изготовления детали. Окончательно отверждение материала может происходить вне формующей оснастки, так как изделие приобретает устойчивую форму до завершения этого процесса.

При переработке композиционных материалов большое значение имеет адгезия (сцепление) связующего с наполнителем. Величина адгезии может быть повышена путем очистки поверхности наполнителя и сообщения ей химической активности. При плохой адгезии связующего к наполнителю в материале появляются микропоры, которые значительно снижают прочность материала.

Различие по сечению изделия в скоростях охлаждения, в степени кристаллизации, полноте протекания релаксационных процессов для термопластов и степени отверждения для реактопластов приводит также к структурной неоднородности и появлению дополнительных остаточных напряжений в изделиях. Для снижения остаточных напряжений применяют термическую обработку изделий, формирование структуры при переработке и другие технологические приемы.

Все возрастающий объем производства пластических масс требует дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых высокопроизводительных технологических процессов переработки полимеров. Дальнейший прогресс в области переработки пластических масс связан с резким повышением производительности перерабатывающего оборудования, сокращением трудоемкости в производстве изделий и повышением их качества. Решение поставленных задач невозможно без применения новых прогрессивных методов переработки, к числу которых относятся различные виды переработки полимеров давлением в твердом агрегатном состоянии.

В основе всех процессов переработки полимеров в твердом состоянии лежит пластическая (вынужденно-эластическая) деформация, которая носит обратимый характер. Вынужденно-эластические деформации в полимерах развиваются под влиянием больших механических напряжений. После прекращения действия деформирующего усилия, при температурах ниже температуры размягчения, вынужденно-эластическая деформация оказывается фиксированной в результате стеклования или кристаллизации материала и деформированное полимерное тело не восстанавливает свою исходную форму.