CC BY
47
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
УДК 678. 621.891 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-4-68-71
РЕЦИКЛИНГ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА
© 2020 г. М.С. Липкин1, С.А. Пожидаева1, В.В. Стрельников1, А.А. Кужаров2, С.Н. Любченко3, Г.А. Данюшина4, В.Г. Шишка4
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, 3Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, 4ОКТБ «Орион», г. Новочеркасск, Россия
RECYCLING OF POLYETHYLENE TEREPHTHALATE
M.S. Lipkin1, S.A. Pozhidaeva1, V. V. Strelnikov1, A.A. Kuzharov2,
S.N. Lyubchenko3, G.A. Danyushina4, V.G. Shishka4
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia, 3Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, 4SDTB «Orion», Novocherkassk, Russia
Липкин Михаил Семенович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Пожидаева Светлана Александровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Стрельников Виктор Владимирович - аспирант, кафедра «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Кужаров Андрей Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химия», Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия.
Любченко Сергей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Физической и коллоидной химии имени профессора В.А. Когана», Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия.
Данюшина Галина Алексеевна - канд., техн. наук, ведущ. инженер, ОКТБ «Орион», г. Новочеркасск, Россия.
Шишка Василий Григорьевич - канд., техн. наук, ведущ. инженер, ОКТБ «Орион», г. Новочеркасск, Россия.
Lipkin Mikhail S. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Pozhidaeva Svetlana A. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Strelnikov Victor V..- Postgraduate Student Department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Kuzharov Andrey. A. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «Chemistry», Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia.
Lyubchenko Sergey N. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «Physical and Colloid Chemistry named after Professor V.A. Kogan», Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia.
Danyushina Galina A. - Candidate of Technical Sciences, Lead Engineer, Special Design - Technological Bureau «Orion», Novocherkassk, Russia.
Shishka Vasiliy G. - Candidate of Technical Sciences, Lead Engineer, SDTB «Orion», Novocherkassk, Russia.
Рассмотрены способы создания композиционных материалов на основе вторичного полиэтиленте-рефталата (ПЭТФ) и различных функциональных добавок. Обоснован выбор способа переработки ПЭТФ и возможности рециклизации его с целью получения новых материалов в различных областях промышленности. Приведена технологическая схема переработки ПЭТФ, состоящая из последовательно
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
выполняемых операций. Разработан ряд композиций на основе ПЭТФ и различных добавок, определены оптимальные составы композиций. Исследовано влияние предварительной обработки вторичного ПЭТФ раствором хелатного комплекса Er на эксплуатационные свойства материала. Представлены результаты исследований структуры и свойств композиционных материалов, полученных на основе вторичного полиэтилентерефталата и хелатных комплексов Er. Установлено, что предварительная обработка флексов вторичного ПЭТФ раствором хелатного комплекса Er не только улучшает физико-механические свойства, но и позволяет получать образцы, отличающиеся высокой пластичностью. Из предложенных составов были получены волокна, имеющие минимальную разнотолщинность по длине волокна.
Ключевые слова: полиэтилентерефталат; полиизобутилен; рециклинг; модификация.
The article discusses ways to create composite materials based on secondary polyethylene terephthalate (PET) and various functional additives. The choice of a method for processing PET and the possibility of recycling it in order to obtain new materials in various fields of industry is justified. The technological scheme of PET processing, consisting of sequentially performed operations, is given. A number of compositions based on PET and various additives have been developed, and optimal compositions have been determined. The effect ofpretreatment of secondary PET with a solution of the Er chelate complex on the performance properties of the material is studied. The results of studies of the structure and properties of composite materials obtained on the basis of secondary polyethylene terephthalate and Er chemical complexes are presented. It was found that pretreatment of secondary PET flexes with a solution of the Er chelate complex not only improves the physical and mechanical properties, but also makes it possible to obtain samples with high plasticity. The proposed compositions were used to produce fibers that are highly ductile and have a minimum thickness difference along the length of the fiber.
Keywords: polyethylene terephthalate; polyisobutylene; recycling; modification.
Состояние экологии и проблема утилизации мусора указывают на то, что решение этой проблемы явно носит экономический характер. В западных странах уже давно очищенные полимерные отходы применяют наравне с первичным сырьём.
Следует отметить, что до 30 % от общей массы отходов составляет полиэтилентерефталат (ПЭТФ), в связи с этим особый интерес представляет вторичная переработка продукции из ПЭТФ для получения композиционных материалов. Учитывая постоянный рост цен на первичное сырьё ПЭТФ, используемое в производстве тары для непищевых продуктов, возможно, следует активнее обратиться к сырью из вторичных полимеров, которое на 40 - 60 % дешевле первичного полимерного сырья.
Существует два основных источника полимерных отходов - это производственные и бытовые. Промышленные отходы, в свою очередь до 90 % перерабатываются на самих производствах.
Бытовые отходы, в отличие от промышленных, содержат поверхностные загрязнения, различные примеси. Рециклинг таких отходов требует тщательной предварительной подготовки: сортировка, очистка, дробление и т.д.
В литературных источниках появилось большое количество решений, связанных с исследованиями вторичной переработки ПЭТФ. Предлагаются различные технологии по получению композиционного материала [1 - 6]. Следует отме-
тить, что при повторной переработке ПЭТФ возникает ряд проблем, связанных с процессами деструкции, окисления, протекающих при воздействии термической обработки.
Первые экспериментальные работы показали, что без дополнительной модификации вторичного сырья получить качественную продукцию не представляется возможным. Образцы отличались повышенной хрупкостью, при незначительном усилии растрескивались и ломались. Одним из путей улучшения качества композиционного материала из вторичного ПЭТФ является введение в состав функциональных добавок, а также его поверхностная модификация [7].
По результатам исследований была разработана технология переработки вторичного ПЭТФ. Особенностью данной технологии является предварительная модификация отходов ПЭТФ растворами хелатных комплексов, синтезированных в Южном федеральном университете (ЮФУ).
В работах [8, 9] отмечено, что синтезированный хелатный комплекс Ег обладает каталитическим свойством. Это связано с наличием в молекуле донорно-акцепторных связей, которые и являются источником каталитических центров. Даже при незначительных концентрациях хелат-ного комплекса они существенно изменяют свойства материалов. Разработана технологическая схема переработки ПЭТФ [10], которая состоит из ряда последовательно выполняемых операций:
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
1. Перед химической модификацией вторичного ПЭТФ необходимо провести сортировку на различные сопутствующие полимеры, такие как полиэтилен, клей и др. Затем отчищенный вторичный ПЭТФ измельчают на флексы размером « 10 - 15 мм, а для более качественной и окончательной очистки сырья пропускают их через флотационные ванны, содержащие поверхностно-активные вещества и растворители.
2. ПЭТФ - продукт поликонденсации, и при термическом воздействии в пределах температуры его плавления в присутствии гидроксильных групп, а именно малейших частиц воды, происходит деструкция перерабатываемого сырья. Поэтому важно после окончательной очистки удалить всю влагу из вторичного полиэтилентерефталата.
3. После максимального обезвоживания поверхность вторичного сырья ПЭТФ обрабатывают раствором хелатного комплекса соединений Er, растворенного в ксилоле. Процесс проводится при комнатной температуре при тщательном перемешивании.
4. Химическое взаимодействие всех введённых компонентов и катализатора происходит при термическом воздействии. Переработку осуществляют в экструдере с последующим формованием образцов в пресс-форме. Полученные образцы подвергаются физико-химическим исследованиям.
В ходе проведения исследований разработан ряд композиций, оптимальные составы которых представлены в табл. 1.
Таблица 1 / Table 1
Составы композиций / The formulations of the compositions
Компоненты Композиции, г
1 2 3 4 5
ПЭТФ 170 180 180 170 170
Полиизобутилен 10 18 18 10 10
Фторопласт 32Л 3 3 - 3 3
Полифенилметилси-локсан 3 - - - -
Хелатный комплекс Er - 0,001 0,001 0,01 0,001
переработкой на экструдере раствором Ег способствует не только снижению коэффициента трения в ~ 2 - 3 раза, но и весового износа.
0,18 5 0,16 ! 0,14 & 0,12 ё 0,1
в
| 0,08 0,06 0,04 0,02 0
m
о «
0 0,5 1,0
1,5 2,0 2,5 3,0 Нагрузка, МПа
комп.Мй 1 KOMn.Nï 2 Kown.NG 3
3,5 4,0 4,5
кОмп.№ 4 комп№ S
Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от нагрузки V = 0,075 м/с без смазки / Fig. 1. Dependence of the coefficient of friction on the load V = 0,075 m/s without lubrication
Кроме того, из предложенных составов были получены волокна, которые исследовали на электронном микроскопе «Mira 3 tescan» (рис. 2).
шг
О Спектр 2 Спектр 3
Отличительной особенностью этих составов является то, что полученные композиционные материалы обладают повышенной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.
Коэффициент трения образцов, полученных из разработанного композита, был определён на торцевой машине трения при скорости скольжения 0,075 м/с без смазки. Результаты испытаний представлены на рис. 1.
Как видно из представленных данных, предварительная обработка флексов ПЭТФ перед
Рис. 2. Волокно из композиции 4, табл. 1 (а); состав волокна композиции 4, табл. 1, спектр 2 (б); состав волокна композиции 4, табл. 1, спектр 3 (в) / Fig. 2. The fiber of the composition 4, table 1 (a); fiber composition 4, table 1, spectrum 2, (б); fiber composition 4, table 1, spectrum 3 (в)
а
в
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 4
Следует отметить, что полученные волокна из композиции 4 отличаются высокой пластичностью, легко вытягиваются, имеют минимальную разнотолщинность по длине волокна (см. рис. 2, а). Элементный состав волокна, полученный из разных спектров, практически одинаковый (рис. 2, б, в).
Выводы
Исследовано влияние предварительной обработки флексов вторичного ПЭТФ раствором хелатного комплекса Ег на эксплуатационные свойства (коэффициент трения, износ, твёрдость).
Разработан ряд композиций на основе вторичного ПЭТФ и различных функциональных добавок. Определены их оптимальные составы.
Установлено, что предварительная обработка флексов вторичного ПЭТФ раствором хелатно-го комплекса Ег не только улучшает физико-механические свойства, но и позволяет получать образцы, отличающиеся высокой пластичностью.
Литература
1. Ермаков С.Н., Кербер М.Л., Кравченко Т.П. Химическая модификация и смешение полимеров при реакционной экструзии // Пластические массы. 2007. № 10. С. 32 - 41.
2. Макарова B.В. [и др.]. Некоторые пути химической и
физической модификации полиэтилентерефталата // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2005. Т. 47. № 7. С. 1140 - 1152.
3. Аид А.И.А., Беданоков А.Ю., Леднев О.Б. Способы рецик-линга полиэтилентерефталата // Малый полимерный конгресс, Москва. 2005. 57 с.
4. Павлов С.А. Глубокая химическая переработка отходов ПЭТФ // Твердые бытовые отходы. 2007. № 11. С. 18 - 23.
5. Керницкий В.И., Жир Н.А. Переработка отходов полиэти-лентерефталата // Полимерные материалы. 2014. № 8. С. 11 - 21.
6. Гиревая Х.Я., Гиревой Т.А. Изучение свойств продуктов химической деструкции ПЭТФ // Общество, наука и инновации. 2013. С. 27 - 30.
7. Данюшина Г.А., Стрельников В.В., Шишка Н.В. Способ
химической переработки полиэтилентерефталата // Инж. Вестн. Дона. 2017. Т. 45. № 2 (45).
8. Олехнович Л.П. [и др.]. Новые достижения в химии пространственно экранированных о-замещенных А'-арилхи-нониминов // Рос. хим. журн. 2004. Т. 48. № 1. 103 с.
9. Любченко С.Н. [и др.]. Модификация полиэтилена хелат-ными комплексами металлов // Спектроскопия координационных соединений: тез. докл. 14 междунар. конф. Туапсе. 2018. 145 с.
10. Любченко С. Н. [и др.]. Рециклинг полиэтилентерефта-лата хелатными комплексами металлов // Спектроскопия координационных соединений: тез. докл. 15 междунар. конф. Туапсе. 2018. 162 с.
References
1. Ermakov S.N., Kerber M.L., Kravchenko T.P. Chemical modification and blending of polymers during reaction extrusion // Plasticheskie massy. 2007. No. 10. Pp. 32 - 41.
2. Makarova B.V. et al. Some ways of chemical and physical modification of Polyethylene Terephthalate // High-molecular compounds. Series A. 2005. Vol. 47. No. 7. Pp. 1140 - 1152.
3. Aid A.I.A., Bedanokov A.Yu., Lednev O.B. Methods of recycling Polyethylene Terephthalate // Small Polymer Congress, Moscow. 2005. 57 р.
4. Pavlov S.A. Deep chemical processing of PET waste // Municipal solid waste. 2007. 1 No. 1. Pp. 18 - 23.
5. Kernitsky V.I., Fat N.A. Processing of Polyethylene Terephthalate waste // Polymeric materials. 2014. No. 8. Pp. 11 - 21.
6. Girevaya Kh.Ya., Girevoi T.A. Study of the properties of the products of chemical destruction of PET // Society, science and innovations. 2013. Pp. 27 - 30.
7. Danyushina G.A., Strelnikov V.V., Shishka N.V. The method of chemical processing of Polyethylene Terephthalate // Engineering Bulletin of the Don. 2017. Vol. 45. No. 2 (45).
8. Olekhnovich L.P. et al. New advances in the chemistry spatially shielded o-substituted N-arrhenomanes // Ru. chem. 2004. Vol. 48. No. 1. 103 р.
9. Lyubchenko S. N. et al. Modification of polyethylene chelate complexes of metals // Spectroscopy of coordination compounds. Abstracts of reports of the 14-th international conference of Tuapse. 2017. 145 р.
10. Lyubchenko, S. N. et al. Recycling of Polyethylene Terephthalate chelated metal complexes // Abstracts of the 15 international conference of Tuapse. 2018. 162 р.
Поступила в редакцию /Received 19 октября 2020 г. / October 19, 2020
