Мезогенные модификаторы для вторичной переработки термопластов

Одним из наиболее осязаемых результатов антропогенной деятельности является образование отходов, среди которых отходы пластмасс занимают особое место в силу своих уникальных свойств. Производство пластических масс на современном этапе развития возрастает в среднем на 5 – 6% ежегодно и к 2010 году достигнет 250 млн.т. Их потребление на душу населения в индустриально развитых странах  за последние 20 лет удвоилось, достигнув 85 – 90 кг, к концу 2010 года эта цифра повысится на 45 – 50% [1]. Такая высокая популярность пластмасс объясняется их легкостью, экономичностью и набором ценнейших потребительских свойств. Пластики являются серьезным конкурентом металлу, стеклу, керамике. Например, при изготовлении стеклянных бутылей требуется на 21% больше энергии, чем на пластмассовые [2].

Но наряду с этим возникает проблема с утилизацией отходов, появляющихся в результате использования продукции полимерной промышленности. В России к концу 2010 года полимерные отходы составят больше 1 млн.т., а процент их использования до сих пор мал. Учитывая специфические свойства полимерных материалов (они не подвергаются гниению, коррозии), проблема их утилизации носит, прежде всего, экологический характер. Однако в настоящее время проблема переработки отходов полимерных материалов обретает актуальное значение не только с позиции окружающей среды, но и связана с тем, что в условиях дефицита полимерного сырья пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом. Использование отходов полимеров позволяет существенно экономить первичное сырье (прежде всего нефть) и электроэнергию [3].

Основное количество отходов уничтожают захоронением в почву или сжиганием. Однако уничтожение отходов экономически не выгодно и технически сложно. Кроме того, захоронение, затопление и сжигание полимерных отходов ведет к загрязнению окружающей среды, к сокращению земельных угодий (организация свалок) и т.д. [4]. При сжигании происходит образование сажи от неполного сгорания полимерных продуктов, выделение токсичных газов и, следовательно, повторное загрязнение воздушного и водного бассейнов, быстрый износ печей за счет сильной коррозии [4]. Тем не менее и захоронение, и сжигание продолжают оставаться довольно широко распространенными способами уничтожения отходов пластмасс.

В настоящее время наиболее приемлемой как с экологической, так и с экономической точек зрения является вторичная переработка отходов полимерных материалов [5].

В процессе переработки и эксплуатации материалы подвергаются воздействию высоких температур, сдвиговых напряжений, тепло- и фотоокислительной деструкции, что приводит к появлению активных групп, которые при последующих переработках способны инициировать реакции окисления. Поэтому вторичное сырье следует подвергать модификации, основная цель которой – ингибирование повторной деградации высокомолекулярных соединений, создание однородного по структуре материала с воспроизводимыми свойствами, улучшение качества и повышение срока службы изделий из него.

Учитывая хорошую совместимость с полимерами и высокую светотермостабилизирующую эффективность, которая в некоторых случаях проявляется уже на стадии переработки, нами было проведено исследование возможности использования в качестве модификаторов при вторичной переработке одних из наиболее многотоннажных и широко применяемых термопластов, а именно полиэтилена высокого давления (ПЭВД) и поливинилхлорида (ПВХ), некоторых жидкокристаллических соединений. Ниже приведены структурные формулы потенциальных модификаторов.

Модификаторы для вторичной переработки ПВХ

4-(2,3-эпоксипропокси)-4’-цианобифенил

4-пропилокси-4’-(2,3-эпоксипропокси)азобензол

Модификаторы для вторичной переработки ПЭВД

4-(4’-ундецилоксибензоилокси)коричная кислота

4-гидроксигексилокси-4’-цианоазоксибензол

4-гидроксигексилокси-4’-цианоазобензол

Методики синтеза, структурная и мезоморфная идентификация объектов исследования приведены в работах [6-8].

Для вторичной переработки использовали неустранимые технологические отходы ПЭВД и ПВХ.

Сравнение проводили с известным и широко используемым промышленным модификатором Вигостаб БЦ (для вторичного ПВХ), а также с немодифицированными композициями (для вторичного ПЭВД). Мезогенные соединения вводили в полимерные композиции в количестве 0,2 и 0,4 масс.ч. на 100 масс.ч. ПВХ или ПЭВД, промышленный стабилизатор – 1 масс.ч на 100 масс.ч. полимера. Эффективность мезогенных модификаторов оценивали по величине разрушающего напряжения при растяжении и относительного удлинения при разрыве. Результаты физико-механических испытаний образцов приведены в табл. 1 и 2.

При вторичной переработки ПЭВД без модификаторов происходит снижение относительного удлинения в среднем на 60% (табл.1). Причиной этого может быть наличие гель-фракции во вторичном ПЭВД, которая выполняет функцию активного наполнителя полимерной матрицы. Наличие такого «наполнителя» является причиной появления значительных напряжений, следствием чего является повышение жесткости и хрупкости  материала, снижение стойкости к растрескиванию и эластичности. При введении мезогенных модификаторов при первичной переработке ПЭВД происходит увеличение относительного удлинения в среднем на 40%. Эта тенденция сохраняется и при вторичной переработке, при которой относительное удлинение увеличивается почти в 2 раза по сравнению с контрольным образцом (табл.1).

Сравнение результатов физико-механических испытаний образцов вторичных ПВХ пленок показало (табл.2), что жидкокристаллические модификаторы позволяют достичь хороших показателей как по прочности, так и по эластичности материала, причем их концентрация при этом может быть в 5 раз ниже по сравнению с промышленным стабилизатором.

Таблица 1

Результаты испытаний вторичного ПЭВД

Таблица 2

Результаты испытаний вторичного ПВХ

Литература

1.      Пономарева В.Т., Лихачева Н.Н., Ткачик З.А. Использование пластмассовых отходов за рубежом // Пластические массы. 2002. №5. С.44-48.

2.      Вторичные ресурсы: проблемы, перспективы, технология, экономика: Учеб.пособие / Г.К.Лобачев, В.Ф.Желтобрюхов и др.; Волгоград, 1999. 180с.

3.      Бобович Б.Б. Утилизация отходов полимеров: Учебное пособие. М., 1998. 62с.

4.      Милицкова Е.А. Рециклы отходов // научные и технические аспекты охраны окружающей среды: Обзорная информ. / ВИНИТИ. М., 1997. №3. С.52-70.

5.      Ла Мантия Ф., Вторичная переработка пластмасс / пер.с англ. под ред. Г.Е. Заикова. СПб.: Профессия, 2006. 400с.

6.      Кувшинова С.А., Бурмистров В.А., Алтунина А.Е., Койфман О.И. 4-(2,3-эпоксипропокси)-4’-цианобифенил, проявляющий свойства светотермо стабилизаторов ПВХ // Патент РФ №2313518, Б.И. №36 от 27.12.2007.

7.      Кувшинова С.А., Бурмистров В.А., Койфман О.И. 4-(2,3-эпоксипропокси)-4’-пропилоксиазоксибензол, проявляющий свойства светотермо стабилизаторов поливинилхлорида // Патент РФ №2284318, от 27.09.2006.

8.      Кувшинова С.А., Фокин Дм.С., Новиков И.В., Литов К.М., Бурмистров В.А., 4-(4’-алкоксибензоилокси)коричные кислоты: синтез, полиморфизм, применение // Жидкие кристаллы и их практическое использование, Вып. 3(25). 2008. С.5-12.