Среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, наиболее актуальной является проблема ухудшения качества среды обитания человека. Она носит глобальный характер и связана, прежде всего, с устойчивым ростом промышленного производства, который сопровождается увеличением количества твердых бытовых и промышленных отходов.
Суммарный объем отходов в РФ ежегодно составляет около 2,5 млрд. тонн. В жилищно-коммунальном хозяйстве образуются твердо-бытовые отходы, в среднем, 350–450 кг на человека в год. Полимерные отходы занимают одно из первых мест в составе твердо — бытовых отходов, по объему образования отходов они уступают отходам из бумаги и картона, но по ежегодному приросту опережают на 4 %.
Высокая стойкость полимерных отходов к внешней среде и постоянно уменьшающиеся ресурсы традиционного сырья, в частности, снижение запасов и повышение стоимости нефти и газа, вынуждают к повторному использованию полимерных отходов. Правильное обращение с отходами может обеспечить прирост валового национального дохода не менее чем на 15 %.
Выделяют три вида полимерных отходов: отходы синтеза полимеров, отходы переработки полимерных материалов в изделия, отходы потребления. Охарактеризуем кратко каждую группу отходов.
Отходы синтеза полимеров, которые образуются при осуществлении процессов синтеза полимеров: низкомолекулярные фракции полимеров, отходы в виде слитков, выливов, отходов чистки аппаратов; эти отходы могут быть модифицированы и использованы как вторичное полимерное сырьё для производства изделий с невысоким уровнем требований к свойствам материала или для специальных целей.
Отходы переработки полимерных материалов в изделия: бракованные изделия, литниковые системы, слитки из смесей полимеров, образующиеся при чистке аппаратов и другие технологические отходы, которые после измельчения используют как добавку к основному материалу для тех же изделий.
Отходы потребления — изношенные изделия, утратившие свои потребительские свойства вследствие физического или морального износа (упаковка, транспортная тара, предметы домашнего обихода, детали машин, приборов и др.). Отходы потребления составляют около 85 % всех полимерных отходов и по своему объему приближаются к объему выпуска полимерных материалов; состав и свойства полимерных отходов потребления, как правило, случайны, их предыстория неизвестна [1, 2].
По мере накопления отходов возникает проблема их переработки. Существует несколько способов переработки полимерных отходов.
Сжигание в потоке твердо — бытовых отходов. При сжигании на свалках, во дворах, на мусоросжигательных заводах в атмосферу выделяются такие ядовитые продукты, как фтористый и хлористый водород, фосген, цианистые соединения, а также диоксинсодержащие соединения, обладающие канцерогенными действиями. Помимо этого, теряется дорогостоящий полимер.
Захоронение с твердо — бытовыми отходами. Закапывание в землю отходов требует все больше площадей и свалок. Продукты деструкции отходов разносятся, в основном, грунтовыми водами. Число свалок непрерывно растет. Создание специальных полигонов для захоронения отходов требует огромных затрат, поэтому полимерные отходы являются источником длительного загрязнения окружающей среды.
Сжигание полимерных отходов с целью получения энергии. Чаще всего тепло, выделяющееся при сжигании, используют для получения пара и электроэнергии. Однако калорийность сжигаемого сырья невелика, поэтому установки для сжигания, как правило, являются экономически малоэффективными.
Пиролиз полимерных отходов при температурах 800–1000 °С позволяет получить высококалорийное топливо (технический углерод), сырье и полупродукты, используемые в различных технологических процессах, а также мономеры, применяемые для синтеза полимеров. Образующиеся в процессе пиролиза низкомолекулярные предельные углеводороды подвергаются последующему крекингу с целью увеличения выхода непредельных соединений, используемых при синтезе полиолефинов [4].
Повторное использование: возвращение в производственный цикл упаковки после сбора и обработки (мойки, сушки).
Самым эффективным способом утилизации отходов полимерных материалов является их вторичная переработка и создание на их основе композиционных материалов [3, 6]. Современное производство нельзя представить без использования полимерных композиционных материалов в изготовлении тары и упаковки, применяемой в различных отраслях промышленности [4].
Полимерные композиционные материалы — материалы на основе полимеров и наполнителей неорганической и органической природы. Создание композитов позволяет значительно расширить круг полимерных материалов. Физико-химическая модификация существующих полимеров, их комбинация с веществами иной природы, иной структуры — это один из перспективных путей создания материалов с новым необходимым комплексом свойств [5].
Использование различных смесей полимеров, добавок, наполнителей и способов их обработки, введение их в полимер как в процессе синтеза, так и при переработке позволяет получать полимерные композиционные материалы разной структуры, с требуемым набором эксплуатационных свойств. Поэтому при переработке пластмасс необходимо знать свойства исходного полимерного сырья, добавок, способы их подготовки перед введением в полимер, влияние параметров переработки и разного вида пластмассоперерабатывающего оборудования на технологические и эксплуатационные свойства материалов, условия применения.
Перечислим современные композиции, содержащие вторичное полимерное сырье.
Композиционный материал с отработанными отходами от компакт-дисков из поликарбоната. Смесь полиэтилентерефталата с 10–50 % поликарбоната обладает повышенными термостойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам, лучшей перерабатываемостью на технологическом оборудовании.
Соотношение полиэтилена низкого давления к вторичному полиэтилентерефталату от 5 до 10 %. При введении полиэтилена низкого давления эксплуатационные характеристики смесей (разрушающее напряжение при растяжении, прочность при статическом изгибе, модуль упругости при растяжении, ударная вязкость) по сравнению с вторичным полиэтилентерефталатом увеличивается в 1,5–2 раза, причем наилучшими свойствами обладает композиция с содержанием полиэтилена низкого давления 10 %. Такие смеси обладают улучшенными литьевыми свойствами по сравнению с чистым полиэтилентерефталатом [7].
Введение полиамидов в полиэтилентерефталат оказывает пластифицирующее действие: смеси полиэтилентерефталата с полиамидом — 6 с добавкой функционализированного кислотой или глицидиловым эфиром полиолефина.
Частичная замена полиэтилентерефталата полибутилентерефталатом (этиленгликольная группа заменена на бутиленгликольную). Это влечет некоторое изменение свойств, в частности, снижение температур стеклования и плавления, уменьшение полярности и увеличение эластичности [4].
Смеси полиэтилентерефталата с полиэтиленнафталатом (ПЭН) обладают лучшими барьерными свойствами по сравнению с полиэтилентерефталатом. Полиэтиленнафталат — более дорогой материал, но он медленнее кристаллизуется и имеет менее выраженные эффекты старения [4, 7].
Грануляция смеси полиэтилентерефталата с 1–50 % совмещающихся с ним сополимеров этилена с акриловой или метакриловой кислотой позволяет получить материал с пониженной степенью кристалличности и ударной вязкостью, в 1,5–2 раза превышающей ударную вязкость исходного полиэтилентерефталата. Аналогичный эффект даст введение сшитого полиэтилена, полипропилена или их сополимеров.
Композиционный материал на основе полиэтилентерефталатных хлопьев, стекловолокна и различный аддитивов найдет применение в электротехнике, машино- и автомобилестроении, а также и в других отраслях, где требуются инженерно-технические полимеры с высокими физико-механическими и электрическими свойствами.
Из смеси отходов полиэтилентерефталата и поливинилхлорида без сушки получают листы или пленки.
Композиция полиэтилентерефталата с полимерным наполнителем (сферическими частицами полистирола и ударопрочного полистирола, полипропилена, добавками АБС– пластика пиротелитового диангидрида) используется в полиграфической, строительной, легкой промышленности для создания шероховатых пленок, листов, волокон, шпагатов.
Композиция, состоящая из 80 % полипропилена и 20 % талька, применяется в производстве товаров народного потребления, бытовой химии. Композиции обладают повышенной ударопрочностью при сохранении модуля упругости и увеличенной теплостойкостью [3, 8].
Композиции полипропилена, наполненного мелом, стеклом, применяют в электротехнической, химической промышленности, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении. Введение в полиэтилен органических перекисей (дикумила) с последующей вулканизацией приводит к образованию поперечных связей, переводящих его из термопластичного состояния в термореактивное. В этом состоянии полиэтилен не плавится при повышении температуры и не растрескивается под влиянием различных сред.
Клеевые композиции на основе полиэтилена и атактического полипропилена, содержащие добавку полярных веществ, например, малеинового ангидрида и (или) капролактама. Введение в полиэтилен атактического полипропилена иполярного вещества дает возможность получить клей с хорошими адгезионными свойствами и относительно низкой температурой склеивания.
Таким образом, наиболее перспективным направлением является создание полимерных композиционных материалов, содержащих вторичные полиэтилентерефталат и полиэтилен или вторичные полиэтилентерефталат и полипропилен, что подтверждается результатами экспериментальной работы, проводимой на кафедре химии Магнитогорского государственного технического университета творческим коллективом преподавателей и студентов.
Литература:
1. Вторичная переработка пластмасс / Ф. Ла Мантия (ред.); пер. с англ. Под ред. Г. Е. Заикова — СПб.: Профессия, 2006. — 400 стр., ил. — ISBN 5–93913–116–6
2. Вторичное использование полимерных материалов. — М.: Химия, 1985.
3. Ершова О. В., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. В. Исследование зависимости свойств древесно-полимерных композитов от химического состава матрицы // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 2; URL: www.science-education.ru/116–12363 (дата обращения: 20.10.2014).
4. Заякин, С. Вторичная переработка полимеров [Электронный ресурс]: статья / С. Заякин. — Режим доступа: http://tehno-plast.ru
5. Ивановский С. К., Гукова В. А., Ершова О. В. Исследование свойств вспененных композитов на основе вторичных полиолефинов и золы уноса // В сборнике: Тенденции формирования науки нового времени Сборник статей Международной научно-практической конференции: В 4 частях. отв. редактор А. А. Сукиасян. г. Уфа, республика Башкортостан, 2014. С. 18–24.
6. Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Технологические особенности производства упаковки из вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТ) // Молодой учёный. — 2013. — № 5. — С. 123–125.
7. Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. В., Ершова О. В. Исследование возможности получения композиционных материалов на основе вторичных полимеров // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 4; URL: www.science-education.ru/118–14200 (дата обращения: 20.10.2014).
8. Gukova V. A., Ershova O. V. The development of composite materials based on recycled polypropylene and industrial mineral wastes and study their operational properties// В сборнике: European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences Vienna, 2014. С. 144–151.
