CC BY
95УДК 678.027.3:691.175
И.А. Яблуновский
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ОБЩАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИКОВЫХ ОТХОДОВ
В ФИЛАМЕНТ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ
Увеличение количества пластиковых отходов представляет собой большую проблему на современном этапе развития общества. Загрязнению пластиковыми отходами подвергается не только суша, но в еще большей степени мировой океан. Этот процесс подрывает экологическую безопасность, наносит существенный экономический ущерб, а также влияет на безопасность мореплавания. В статье проведен анализ всех современных видов пластиков и их исключительных свойств. На основании данного анализа сделаны выводы о том, как максимально эффективно перерабатывать пластиковые отходы в условиях малой лаборатории. Рассмотрена проблема переработки и повторного использования полимерных отходов посредством применения малогабаритного экструдера. Переработанные пластиковые отходы предлагается использовать как материал для 3D-печати.
Ключевые слова: экологическая безопасность, классификация полимеров, переработка пластика, метод экструзии, виды пластиков, свойства пластиков.
I.A. Yablunovski
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamcharsky, 683003 e-mail: [email protected]
GENERAL ASSESSMENT OF WASTE PLASTIC RECYCLING INTO FILAMENT FOR 3D PRINTING
The increase in the amount of plastic waste is a big problem at present stage of society development. Not only the land is exposed to plastic waste pollution, but the world's oceans too. This process undermines environmental safety, causes significant economic damage, and also affects the safety of navigation. All modern types of plastics and their exceptional properties were analyzed. Based on this analysis, conclusions were drawn on how to process plastic waste as efficiently as possible in a small laboratory. The problem of recycling and reuse of polymer waste through the use of a small-sized extruder is analyzed. Recycled plastic waste is proposed to be used as a material for 3D printing.
Key words: environmental safety, classification of polymers, plastic processing, extrusion method, types of plastics, properties of plastics.
В современном мире переработка пластиковых отходов имеет большую актуальность, так как одна из самых больших экологических, социальных и технических проблем на сегодняшний день - это загрязнение планеты различными видами отработанного пластика. Количество пластика в океанах также растет, что в конечном итоге сказывается как на промышленном рыболовстве, так и на безопасности мореплавания в целом [1-4].
Основная масса производимого пластика используется для изготовления различных видов упаковки. Факторы низкой цены, малой массы, эстетичности, удобства и безопасности являются определяющими в использовании пластиковой упаковки. Доля упаковки в общем производстве пластиковых изделий превышает 50%. При этом именно пластиковая упаковка имеет весьма короткий срок использования по назначению, который составляет, как правило, не более одного года. Этот фактор способствует быстрому накоплению пластиковых отходов с интенсивностью примерно 100 кг/год на одного человека. С учетом низкой скорости разложения полимерных материалов пластиковые отходы представляют реальную опасность для окружающей среды [5].
В среднем период разложения пластика составляет около четырехсот лет. Если уже в наши дни не начать перерабатывать пластиковые отходы, то в ближайшем будущем человечеству некуда будет складировать пластик. Сжигание пластика является малоэффективным способом утилизации. Такая переработка приносит вред природе из-за парникового эффекта, поэтому в современных условиях внедрение замкнутого цикла производства могло бы принести максимальную пользу человечеству в решении социальных и экологических проблем [6].
Решение вопросов экологической безопасности связано со значительными материальными и финансовыми затратами. Этот фактор особенно проявляется при переработке пластиковых отходов, так как затраты в сравнении с утилизацией других видов бытовых и промышленных отходов возрастают в несколько раз. Причиной этой проблемы являются специфические особенности полимерных материалов, требующие особых подходов и более совершенных технологий их переработки.
Вместе с тем проблемы переработки пластиковых отходов при соответствующем подходе являются вполне решаемыми. Однако чтобы определить оптимальную технологию переработки пластика, необходимо разобрать его индивидуальные особенности и выявить основные характеристики.
Пластиковые изделия после использования сохраняют все свои изначальные свойства, поэтому вторичная переработка пластика может существенно сократить сырьевые затраты предприятий, тем самым в конечном итоге уменьшится себестоимость производства продукции.
Все современные пластики имеют свою маркировку, разработанную в конце двадцатого столетия. Она представляет из себя треугольник, внутри которого есть цифра от одного до семи, в зависимости от типа пластика. Примеры маркировки пластиковых изделий приведены на рис. 1.
Л /V Л /Ч Л Л /ч CJ ^ £.«3 CJ^
PETE HDPE PVC LOPE PP PS Other
Рис. 1. Принятая маркировка пластиковых изделий
Разделение пластика согласно представленной маркировке служит для упрощения его сортировки. На данный момент существуют следующие виды пластика: полиэтилентерефталат -PETE (1); высокоплотный полиэтилен - PEHD или HDPE (2); поливинилхлорид - PVC (3); низкоплотный полиэтилен - LDPE или PEBD (4); полипропилен - PP (5); полистирол - PS (6); все другие виды пластика - OTHER - O (7).
PET/PETE. Один из самых распространенных пластиков. Он безопасен и безвреден, но предназначен для разового использования. Преимущественно из него производят упаковки воды, соков, молока, йогуртов, кефира и т. д. Данный вид пластика подлежит переработке, за исключением отдельных случаев, связанных с соприкосновением его в процессе эксплуатации с проникающими средами, оказывающими существенное влияние на его физическую структуру.
PEHD/HDPE. Эти пластики имеют низкую степень опасности и практически не выделяют вредных веществ. Используются для производства упаковок молока, соков, средств бытовой химии, игрушек, некоторых пластиковых пакетов, одноразовой посуды, косметики и ряда другой продукции. Подлежит переработке.
PVC. Мягкий и гибкий пластик. Применим для упаковок растительного масла, игрушек, блистерных упаковок, пластиковых труб, оконных рам, шлангов. При сжигании выделяет диоксин - высокотоксичное вещество, имеющее негативное влияние на гормональный баланс, а также репродуктивную и иммунную системы.
LDPE/PEBD. Почти безвредный пластик, который можно использовать повторно. Из него делают пакеты и пищевую пленку. Данный вид пластика подлежит переработке.
PP. Этот пластик безопасен и безвреден. Он используется несколько раз, применим для производства пакетов для хлеба и круп, детских сосок, стаканчиков для йогуртов, упаковки для детского питания, подгузников, прокладок, пищевых контейнеров, трубочек для напитков, игрушек. Подлежит переработке.
PS. По-другому полистирол называют пенопластом. Не рекомендуется использовать его повторно, так как при повторном использовании и нагревании полистирол выделяет опасные
химические соединения, в частности стирол. Соответственно, этот вид пластика не годится для хранения горячих напитков, еды. Подлежит переработке.
O/OTHER. Это все прочие виды пластика, такие как: полиамид, поликарбонат и другие виды пластмасс. Применимы они для прозрачных одноразовых столовых приборов, детских бутылочек, бутылок для кулера и многоразовых бутылок для воды, игрушек, тюбиков для зубной пасты, пакетов для выпечки, компакт-дисков. Переработке данный вид пластика не подлежит [7].
Из представленной классификации и анализа основных свойств полимерных пластиков видно, что большинство из них подлежит переработке. Так как основой для пластиковой продукции является материал, получаемый из нефти, то разработка новых технологий получения вторсырья — актуальная задача и одно из перспективных направлений утилизации пластиковых отходов. Структура пластиковых отходов представлена на рис. 2.
Полиэтилен ПЭТ
Ламинированная бумага ПВХ
Полистирол Полипропилен
Рис. 2. Структура пластиковых отходов по видам полимеров
На данный момент существует немалое количество методов и технологий переработки пластика, таких как повторная экструзия, механическая переработка, а также повторное использование химических веществ или использование термических методов, генерирующих энергию (сжигание, пиролиз, газификация и т. д.).
Применение механического метода является наиболее эффективным, так как при его использовании происходит повторное вовлечение материалов в производственный процесс, таким образом существенно снижается загрязнение окружающей среды. Данный метод переработки пластика делится на экструзию и инжекцию, где экструзия - это процесс получения изделий из полимерных материалов путем продавливания расплава материала через формующее отверстие в экструдере, а инжекция - процесс переработки пластмасс путем впрыска расплава полимера под давлением в литьевую форму с последующим его охлаждением. Следовательно, наиболее простым и менее трудоемким, а самое главное — легко воспроизводимым методом, будет являться экструзия. Это обосновывается тем, что существенно упрощается конструкция прибора и сам технологический процесс, так как нет необходимости работать с высокими давлениями. Экстру-дер в совокупности с небольшими эксплуатационными расходами будет обладать высоким уровнем производительности [8].
Переработка пластика методом экструзии в условиях небольшой лаборатории будет происходить посредством переработки пластиковых отходов в нить для 3D-печати. В наши дни актуальность использования 3D-принтеров как никогда востребована. Используя 3D-принтеры, можно печатать практически любые детали. Поэтому следует выяснить, пластики каких маркировок лучше всего использовать. Пластики маркировок «1», «2», «4», «5» можно с легкостью перерабатывать в нити филамента для 3D-печати. Пластики с маркировкой «6» и «7» будут требовать более профессионального оборудования [9].
Для более эффективной и быстрой переработки должен быть выполнен ряд подготовительных работ. Отходы должны быть отсортированы и подготовлены к переработке. После сортировки следует промывка, предназначенная для очистки перерабатываемого пластика от различных полимерных отходов. Здесь стоит уделить особое внимание утилизации промывочного материала в сточные воды. Отсортированный и очищенный пластик готов к переработке, но для того чтобы ускорить и облегчить процесс, можно предварительно измельчить пластик в гранулы.
Пластик в гранулах будет проще переработать шнеку экструдера, что будет влиять на однородность и стабильность толщины нити для печати. Нить одного сечения будет ощутимо влиять на качество напечатанной детали. Изделия, напечатанные такой нитью, будут обладать хорошими механическими качествами и практически не будут отличаться от деталей, сделанных из широко распространенных пластиков.
Данная разработка будет иметь огромное экологическое значение, так как половина бытовых отходов приходится на пластик и большая его часть может быть подвержена многократной переработке. Применение данной технологии позволит снизить затраты на расходные материалы для 3Б-печати и соответственно расширит возможности применения 3Б-принтеров для решения различных технических задач. Полученный с помощью данной технологии материал планируется использовать для изготовления узлов деталей, прототипов и макетов в рамках проектной деятельности курсантов и студентов. Это важно не только с экологической и экономической точек зрения, но также является важным фактором подготовки технических кадров и формирования инженерного мышления у курсантов и студентов мореходного факультета [10].
Литература
1. Белов О.А. Техническое обеспечение морских судов как фактор эффективной и безопасной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Четвертой междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2022. - С. 5-9.
2. Белов О.А., Зайцев С.А. К вопросу оценки безопасности морских судов камчатского флота // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы X Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 80-83.
3. Белов О.А. Аналитический обзор факторов эффективной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - Ч. 1. - С. 5-9.
4. Белов О.А., Швецов В.А. К вопросу о повышении экологической безопасности судов при долговременном стояночном режиме // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2018. - С. 119-121.
5. Кричковская М.П., Белов О.А. Оценка возможности снижения количества пластиковых пакетов в составе ТБО (на примере г. Петропавловска-Камчатского) // Наука, образование, инновации, пути развития: Материалы Х Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 26-28.
6. Березкин И.С. Проблемы переработки пластиковых отходов и теоретическое обоснование создания альтернативных технологий переработки пластика // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2016. - № 2 (57). - С. 37-41.
7. Маковский А. И. Рациональное использование вторичных пластиков путем их рециклинга в филамент для 3D печати // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы XIII Междунар. науч. конф. аспирантов и студентов (16-17 апреля 2019 года). - Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2019. - С. 209-212.
8. Исаков К.С., Гарматий Н.И., Соболева Л.В. Система производства материала для 3Б-печати из переработанного пластика // Завалишинские чтения: Сборник докладов XVII Междунар. конф. по электромеханике и робототехнике (12-14 апреля 2022 г.) - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2022. -С.170-172.
9. Свиридов А.С. Малогабаритный экструдер для переработки пластиковых отходов // Наука без границ. - 2021. - № 1 (53). - С. 30-35.
10.Белов О.А., Белова Е.П. Инженерное образование как фактор развития техники и технологий // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Х Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 106-108.
