Реферат на тему утилизация композиционных материалов

Обновлено: 05.07.2024

“КОМПОЗИТ НЕ ПРИНИМАЕМ!” - с этой фразой столкнется каждый, кто задумался о сортировке мусора и начал изучать правила приёма.

Но когда я первый раз услышала эти слова, вообще не поняла о чём речь. Поэтому решила разобраться, и поделиться с вами тем, что нашла.

Начну я с определения композита, его классификаций, затем опустимся к теме его производства, а затем, переработки.

Что вообще такое композит

Если материал состоит из более чем одного компонента, он считается композитным.

Его химические и физические свойства не считаются “чистыми”, потому что при соединении хотя бы двух разных материалов возникает новый материал со своими уникальными свойствами.

Какие есть классификации у композита

Современный композит состоит из двух компонентов:

наполнителя, который обеспечивает материал заданной характеристикой (прочность, упругость и т.д)
матрицы (основы), которая связывает разные компоненты материала и делает их совмещение возможным.

К наполнителям относят:

Это мелкие частицы различных соединений, которые взаимодействуют с матрицей, не плавятся и не меняют свою форму, упрочняя материал.

Здесь в роли уплотнителя выступают: ленты, нити, сетки различного плетения (например, МДФ, ДВП, кевлар, ЛДСП).

Ещё, дисперсно-упрочненные делят на дисперсно-упрочненные оксидами сплавы (их используют для деталей авиации, которые должны работать при высоких температурах). И дисперсионно-упрочненные полимерные композиты, которые условно делят еще на несколько групп:

Стеклопластики (Например, оконные рамы)
Углепластики (Например, ракетно - космическая техника)
Боропластики (Например, детали для авиации)
Органопластики (Например, бронезащита)
Полимеры, наполненные порошками (Например, бакелит)
Текстолиты (Например, покрытия для кухонных столов)

Матрица же бывает:

Неметаллическая (полимерная и керамическая)
Металлическая (боро- и угле- алюминий).

Зачем и где его используют

Композиты привлекают многими свойствами. Они часто уменьшают вес изготовляемых предметов, делают их прочнее, устойчивее (или наоборот) к высоким температурам. Отличаются электроизолирующими свойствами, низкой теплопроводностью, дешевизной.

В древние времена, египтяне добавляли в кирпичи солому, чтобы те были прочнее. Инки добавляли растительные волокна в керамику, а англичане добавляли волос в штукатурку, опять же для упрочнения. Это тоже своего рода композиты.

Когда используют полимерные композиты в производстве авиации и космической техники, экономят от 5 до 30% веса летательного аппарата! А если сэкономить вес орбитального спутника всего на 1 кг, это сэкономит производителю 1000$.

В каждой современной квартире найдется мебель, сделанная из ДСП. Это композитный материал, состоящий из матрицы в виде синтетических смол, наполненной древесными опилками.

Еще один популярный композит - железобетон. Это сочетание железных прутьев и бетона, которые выдерживают гораздо большие нагрузки, в отличие от бетона.

Композиты используются в различных формах при изготовлении спорт снаряжения, потому что, в отличие от пластика и металла, их можно адаптировать к конкретному виду спорта.

Способы переработки композитов в мире на 2021 год

Всего есть 4-ре категории переработки, применяемые к полимерным композитам:

Восстановление отхода в тот же материал, из которого он произошел, или близкий к нему.

Отход восстанавливают в приложениях, которые не требуют он него тех свойств, который были у оригинального материала.

Отход разделяют на различные хим блоки и субпродукты, которые потом перерабатывают отдельно.

Четвертичная

Отход сжигают или уничтожают другим способом, который позволяет извлекать электроэргию.

А с недавнего времени технологии переработки композитов стали разделять на:

Прямые - отходы дробят в крошку, и смешивают их с органической или не матрицей, затем восстанавливают и используют повторно.
Непрямые - отходы делят на органику и не с помощью термического разложения.

Сейчас на рынке есть одна крупная компания по переработке композитов ELG Carbon Fiber, Великобритания. Они используют процесс пиролиза (термического разложения) для переработки в промышленных масштабах.

Процесс переработки можно описать так:

Смола сгорает в ограниченном количестве кислорода, оставляя чистые углеродные волокна. Затем они либо продаются в виде измельченных или рубленых волокон, либо превращаются в промежуточные продукты, такие как нетканые маты, формовочные смеси или гранулы для литья под давлением.

В декабре 2019 компания Boeing подписала соглашение с ELG на 5 лет, по которому вулканизированные и неотвержденные композитные отходы будут отправлены на переработку для восстановления углеродного волокна.

Вот еще список стран, которые занимаются переработкой композитов.

Что вообще с композитами в России?

В 1980-х годах, ещё СССР, был на 3-м месте в мире по применению композита. Но в 90-е эта отрасль остановилась. И если почитать различные интервью с предпринимателями из области композитов, они говорят, что сейчас нужно вернуться хотя бы к уровню 80-х.

Используют композит в России в транспорте, космосе, авиации, ЖКХ и энергетике.

На данный момент, производят композиты в России около 150 предприятий. Они есть в Московской и Саратовской областях, Татарстане, входят в программу “Композиты без границ”.

Но российский рынок всего лишь 1% по производству композитов от мирового. На душу населения в России потребляется 0,8 кг композитных материалов, и это в 26 раз меньше, чем в более развитых странах.

Есть несколько официальных и НЕ причин, почему Россия так отстает в этом вопросе.

У нас нет отечественного оборудования для подобных вещей
Финансы распределены, и не в сторону композитов
Если кто-то придумывает разработки для изготовления композита или новых технологий, на их полную сертификацию может уходить от 3-х лет
У нас до сих пор нет подробной документации, в каких экономических отраслях можно применять композиты
Сырья не хватает
Российская продукция по потребительским качествам уступает зарубежным аналогам
Специалистов практически никто не обучает
Импортозависимость этой отрасли (90% сырьевой базы - импорт), а цены зависят от падения рубля, что очень невыгодно
Санкции, например, когда запретили компаниям Hexcel (США) и Toray Industries (Япония) поставки композитов в Россию для гражданского самолета МС-21. Хотя можно почитать интервью с производителем , который ничего страшного в этих санкциях не видит.

Но, эта отрасль в последнее время начинает выделяться. С 2013 по 2019 год, отрасль полимерных композитов показала среднегодовой темп роста в денежном выражении 9,2%, что выше мировых лидеров — КНР (7,4%), Германия (6,5%), США (6,4%), Япония (6,4%).

Разрабатываются программы, которые должны поднять этот вид промышленности на ноги.

С 2014 года Росатом, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ), МГУ ведут исследования по изготовлению композитных конструкций из отечественных материалов.

Если порыться по просторам интернета, то можно откопать даже целый журнал , который весьма интересно составлен, и рассказывает он о деятельности в России по производству композитов.

Проводятся различные форумы, где рассматривают новые технологии по производству композитов. На форумах проводят мастер-классы, выбирают победителей по разработанным технологиям и подписывают с ними контракты.

Из недавнего, Ученые Нижегородского Гос Университета Лобачевского разработали новые методы получения композита на углеродных волокнах.

А переработка то что?

Но если взять именно отрасль переработки, то тут все туго. В то время, как другие страны сильно ушли вперед по производству композитов, и уже начинают переработку в промышленных масштабах, в России только в 2019 утвердили новую профессию “Специалиста по переработке полимеров и композитов”.

Что касаемо самой переработки, Росатом на заводе ООО "Завод углеродных и композиционных материалов" (ЗУКМ, Челябинск) только начал тестировать новое оборудование по переработке в 2020-м году.

Существует подпрограмма "развитие производства композиционных материалов и изделий из них", но результатов ее исполнения найти не удалось.

Но, пандемия.

Гендир CarbConsult (с 2011 занимаются композитами и разрабатывают технологии их переработки) Дэн Пихлер назвал отрасли, которые с 2021 года сильнее всего заинтересованы в композитах:

Проведен анализ современных методов утилизации полимерных композиционных материалов. Показано что с точки зрения эффективности переработки и обеспечении экологической чистоты процесса наиболее перспективным является применение технология на основе высокотемпературного пиролиза. Обоснован состав установки для высокотемпературного пиролиза полимерных композиционных материалов. Сформулированы направления исследований для обоснования параметров и технологических режимов работы установки для высокотемпературного пиролиза ПКМ предложенной схемы.

Discover the world's research

20+ million members
135+ million publications
700k+ research projects

. 3. результаты исследования нормативнотехнической базы по утилизации объектов акт [1] . Применение каждого из методов зависит от характера утилизируемого объекта, его химического состава и физических свойств. .

. Данный метод при различных температурах (до 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 [1, 27]. .

. Существует большое количество литературных источников, которые описывают различные процессы утилизации элементов летательных аппаратов, изготовленных из композиционных материалов. Однако их анализ, в частности, [1, [25][26][27][51][52][53][54][55][56][57][58][59] показал, что, несмотря на тот факт, что большинство процессов в авиакосмической отрасли являются регламентированными, вопросы утилизации элементов летательных аппаратов, изготовленных из композиционных материалов, практически не регламентированы. В работе [60] говорится о том, что необходимо разрабатывать и актуализировать нормативную документацию касательно композиционных материалов. .

The article is devoted to describing and analyzing the existing normative and technical documentation for recycling of aircraft and quality ensure of this process. The problems of directly normative and technical documentation of recycling processes and normative and technical documentation for recyclable materials are considered, as well as analyzed the scope of requirements for the quality of products obtained from recycling. As a result, it is concluded that currently recycling of aircraft elements is seen as an integral part of recycling is practically not separated; normative and technical documentation largely determined for recycling of metallic compounds, and often impose a requirement for quality of recyclable products, and not to the quality of products obtained from recycling and almost no normative and technical documentation for evaluating the quality of products obtained from recycling of aircraft elements.

Recommended publications

Моделирование течений в катодных узлах плазменного оборудования при описании дуги объемным источнико.

Рассмотрены вопросы численного моделирования состава атмосферы в катодных узлах электродугового плазменного оборудования с использованием современных коммерческих CFD пакетов. Для задач проектировочных расчетов катодных узлов электродугового плазменного оборудования обосновано применение моделей с заданием дуги в виде объемного источника тепла. Проведено сравнение эффективности численной . [Show full abstract] реализации при использовании двух вариантов построения расчетной модели: с выделением подобластей в расчетной области и при задании интенсивности источника при помощи метода R-функций. На примере тестовой задачи показано, что алгоритм с использованием сетки конечных элементов без деления на подобласти обладает большей устойчивостью и эффективностью с точки зрения времени получения решения. Проведено сравнение результатов расчета состава атмосферы в катодном узле с полым катодом с учетом и без учета влияния дуги на характер течения.

Моделирование течений в секционированном катодном узле плазмотрона

Предложен подход к оценке эффективности защиты термокатода в секционированном катодном узле на основе математического моделирования вихревого течения и критерия обеспечения докритического значения парциального давления активных газов. Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными данными. Показано, что выбор режима подачи защитного газа необходимо проводить с учетом характера течения . [Show full abstract] газов в полости катодного узла и эмиссионных свойств материала термокатода. Для решения данной задачи предлагается использовать численный эксперимент на основе разработанных математических моделей.

Моделирование турбулентных течений в катодных узлах плазменного оборудования

Проведен анализ наиболее популярных моделей турбулентности, использующихся в современных коммерческих CFD пакетах, применительно к задачам моделирования течений в катодных узлах плазменного оборудования. Для обоснования выбора модели турбулентности проведено сравнение результатов моделирования с данными экспериментов по изучению закрученной пристенной струи в канале со спутным центральным . [Show full abstract] потоком. Показано, что получение наиболее точных результатов для рассматриваемых параметров - компонент скоростей и интенсивности турбулентности - обеспечивается при использовании SST модели турбулентности.

Газодинамический затвор атмосферного воздуха в источниках низкотемпературной плазмы – плазмотронах

Проведено математическое моделирование процесса молекулярной диффузии атмосферного воздуха во встречном потоке защитного инертного газа на участке газодинамического затвора в канале слива плазмы из плазмотрона. Показано, что при массовом расходе инертного газа аргон, вплоть до 10-3 кг/с, течение в канале остается ламинарным. Установлено, что основным источником поступления отравляющего катод . [Show full abstract] атмосферного воздуха в плазмотрон является его диффузия во встречном потоке инертного газа в сливном канале плазмы на участке газодинамического затвора атмосферного воздуха. Наиболее интенсивно молекулярная диффузия воздуха происходит в пограничном слое у стенок сливного канала плазмы, который на своем начальном участке выполняет функции газодинамического затвора.

В данной статье поднимается проблема накопления и утилизации твёрдых бытовых одходов,. Приведён состав отходов по сегментам. Показано, что одним из способов утилизации полимерных отходов является создание композиционных материалов на основе вторичных полимеров. Сделан вывод о том, что выбор конкретного способа переработки определяется на основании показателю текучести расплава.

1. Вторичная переработка пластмасс / Ф. Ла Мантия (ред.); пер. с англ. Под ред. Г.Е.Заикова – СПб.: Профессия, 2006. – 400 с.

2. Гукова В.А., Ершова О.В. Эксплуатационные характеристики композиционных материалов на основе вторичного полипропилена и техногенных минеральных отходов// Приоритетные научные направления: от теории к практике. 2014. № 11. С. 149 – 154.

5. Чупрова Л.В., Муллина Э.Р. Технологические особенности производства упаковки из вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТ) // Молодой учёный. 2013. № 5. С. 123 – 125.

7. Элиасов, Б.Л. Сравнительный анализ реологических свойств отечественного и импортного пластиков [Текст] / Б.Л. Элиасов, Д.М. Могнонов, Е.В. Рогов, Ю.Е. Дорошенко. Российский химико-технологический университет им. Менделеева, г. Москва // Научно-технич. журн. Пластические массы – 2001, декабрь. – М.: ЗАО НП, 2001.

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.

В настоящее время экологическую ситуацию в мире можно охарактеризовать как близкую к критической. Одной из наиболее серьёзных экологических проблем, стоящих перед многими промышленно – развитыми странами, является загрязнение окружающей среды бытовыми и промышленными отходами, которые обладают такими нежелательными свойствами, как токсичность, концерагенность, мутагенность, реакционная способность и пожароопасность.

Твердо-бытовые отходы содержат 40 % бумажных и картонных отходов; 25 % пищевых отходов; 15 % полимерных отходов; 5 % металлов; 5 % отходов стекла; 5 % текстиля, и 5 % составляют другие отходы [5].

Среди полимерных отходов лидирующие позиции удерживает полиэтилентерефталат (ПЭТ), т.к. его содержание в общей массе полимерных отходов составляет 25 %; 15 % занимает полиэтилен высокой плотности, 15 % полиэтилен низкой плотности, 12,5 % полипропилен; 6,3 % полистирол, 5 % поливинилхлорида, и 21,2 % составляют другие полимеры. Возникает проблема утилизации отходов. Одно из направлений – создание композиционных материалов на основе вторичных полимеров [6].

Полимерные композиционные материалы – материалы на основе полимеров и наполнителей неорганической и органической природы. Получение таких материалов имеет принципиальное значение: оно позволяет значительно расширить круг полимерных материалов и разнообразие их свойств уже на основе созданных и выпускаемых промышленностью полимеров. 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.

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.

В зависимости от назначения композиционных полимерных материалов, с целью экономии дорогостоящего сырья, с учетом среды эксплуатации и декоративных требований, можно широко варьировать процентным содержанием исходного сырья и получать изделия с различными физико – механическими показателями, окраской и другими эксплуатационными свойствами [2, 3].

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.

Существует несколько способов переработки композитов. Кратко охарактеризуем каждый из них.

Литье под давлением – метод переработки пластмасс, заключающийся в заполнении оформляющей полости расплавом полимера под давлением и последующей фиксации формы изделия путем ее охлаждения или отверждения за счет протекания химических реакций. Этим методом перерабатываются термопластичные, термореактивные полимеры, термоэластопласты и резины.

Процесс литья под давлением широко используется потому, что позволяет получать детали сложной формы с арматурой, с элементами точных размеров, а производство трехмерных деталей может быть проконтролировано и спрогнозировано литьем под давлением точнее, чем другими методами [1].

Переработка полимерных материалов на валковых машинах включает в себя вальцевание, каландрование, каширование, ламинирование, дублирование.

Вальцевание – периодический или непрерывный процесс, применяемый для пластикации, смешения и гомогенизации, листования на вальцах каучука, полимеров и сополимеров, различных композиций на их основе, а также введения различных ингредиентов, таких как: наполнителей, красителей и пигментов, пластификаторов, антипиренов, вулканизующих и других добавок. Этот процесс состоит в многократном проходе полимерного материала через зазор между двумя полыми цилиндрами, вращающимися навстречу друг другу [1].

Каландрование – процесс продавливания полимерного материала через зазор вращающимися навстречу друг другу обогреваемыми полыми цилиндрами, при котором образуется бесконечный лист, рулонный материал или погонажное изделие.

В отличие от вальцевания при каландровании полимерный материал проходит через один зазор между валками только один раз. Для получения необходимой фактуры поверхности, толщины каландруемого изделия полимерный материал пропускают через несколько зазоров. В зависимости от назначения изделия и вида материала количество валков каландра может колебаться от 2 до 5 [1].

Каширование – процесс получения рулонного материала путем расплавления полимерных гранул или порошка в межвалковом зазоре и совмещение его с другими пленками или основанием на валках кашировальной машины.

Получение многослойных рулонных материалов производится на кашировальных машинах. Кашировальные машины состоят из валков различных диаметров и расположения, в которых имеются плавильные, отклоняющие и дублирующие валки.

Ламинирование – процесс нанесения расплава полимера, полученного на экструзионном оборудовании из плоскощелевой головки, в виде покрытия на различные виды основ (полимерные пленки, ткани, бумагу, картон, сетки) в зазоре валкового оборудования. В качестве такого оборудования используют ламинаторы. С помощью ламинатора производят дублирование и каширование по толщине рулонного материала.

Дублирование – процесс совмещения рулонных и листовых материалов разной природы под воздействием температуры и давления. В зазор между обрезиненным валком и обогреваемым полированным валком каландра поступает отформованный полимерный материал и другой полимерный материал или основа. Под давлением обрезиненного валка и воздействия температуры полированного валка происходит совмещение материалов.

Дублирование можно производить как однородных материалов, имеющих одинаковую и разную окраску, так и с различными видами основ, такими как бумага, картон, войлок, нетканые материалы, сетчатые материалы, ткани [1].

Экструзия – технологический процесс получения полуфабрикатов или изделий различной формы путем продавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру).

Основное отличие между экструзией и литьем под давлением заключается в том, что экструзионные процессы непрерывные, более длительные и осуществляются при относительно низком давлении в пределах 1,4 – 10,4 МПа (в некоторых случаях достигает 70,0 МПа). В литье под давлением процесс непродолжительный, а давление может быть 14 – 210 МПа.

Если необходимо приготовить композицию, в состав которой входили бы пластификаторы, стабилизаторы, наполнители, сшивающие агенты и другие добавки, в червячных прессах используют червяки со смесительными элементами, два, четыре и более червяков, дисковые, диско – червячные и червячно-дисковые экструдеры [1].

Методом экструзионного раздувного формования изготавливают различные емкости вместимостью от нескольких миллилитров до 3000 л. К этим изделиям относятся бутылки, канистры, контейнеры, бочки, флаконы, тубы.

Практически все термопласты перерабатываются методом раздувного формования (крупнотоннажные полимеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и целый ряд конструкционных пластмасс).

В экструзионном выдувном формовании заготовка, сформированная в червячной зоне, из плавителя червяком подается через зазор головки. Непрерывная заготовка проходит через фильеру. Из копильника расплав полимера периодически за требуемый промежуток времени продавливается через фильеру, соединенную каналами с экструдером и копильником, в пространство между плитами узла смыкания, на которых крепятся полуформы.

К трубчатой заготовке подводят полуформы так, чтобы заготовка размещалась симметрично к формующим поверхностям, а затем полуформы смыкаются. После смыкания полуформ производится раздув заготовки. Сжатый воздух давлением порядка 0,15 – 0,5 МПа, в зависимости от вида полимера, размеров изделия и его толщины, подается в форму. Во время прижима заготовки к относительно холодной поверхности формы в процессе раздува происходит охлаждение изделия. Затем форма открывается, изделие извлекается, а затем цикл повторяется [1].

Пневмоформование объединяет несколько методов: вакуумное, пневматическое и механическое формование нагретых термопластичных материалов, при этом возможны комбинации перечисленных методов. Широкое применение пневмоформования объясняется: простотой, компактностью, дешевизной машин для вакуумного, пневматического и механического формования, более простым и дешевым способом изготовления вакуумных форм.

При пневмовакуумном формовании происходят три основных процесса: нагрев листа, формование его, охлаждение изделия.

В машинах для пневмовакуумного формования используют различные методы нагрева листа, отличающиеся по способу подвода тепла к его поверхности: радиационный, конвективный и контактный. От нагреваемой поверхности в массу листа тепло распространяется путем теплопроводности.

Для формования изделия используют полимеры, которые имеют явно выраженную область высокоэластичного состояния (большинство аморфных полимеров). Полиэтилентерефталат практически не перерабатывается таким методом из-за отсутствия высокоэластичного состояния и низкой вязкости расплава, но смеси полиэтилентерефталата с другими полимерами (например, с каучуком, АБС – пластиком, полиэтиленом) могут хорошо формоваться [1].

Прессование часто применяется при проведении экспериментальных работ и в промышленном производстве. Методом прессования, в основном, перерабатывают реактопласты: фенопласты, аминопласты, эпоксисоединения, полиуретаны, кремнийорганические соединения, а из термопластов: полиамиды, фторопласты, полиимиды, полисульфоны.

Прессование разделяется на способы: компрессионное (прямое) – оно чаще всего применяется на практике, литьевое (трансферное).

Процесс прямого прессования имеет ограничения, так как очень сложно получить тонкостенные высокой точности изделия сложной конфигурации или насыщенные арматурой.

Ротационное формование используется для изготовления из полимерных материалов полых изделий различной формы. Ротационному формованию можно подвергать термопластичные и термореактивные полимерные материалы в порошкообразном или вязкотекучем исходном состоянии.

Для получения изделий с монолитной стенкой применяют полиэтилен, пластизоли, полиамиды, полипропилен, поликарбонат, ацетат целлюлозы, эластомеры, эпоксидные и полиэфирные компаунды. Для модификации свойств полимеров и готовых изделий широко используются различные добавки: термо- и светостабилизаторы, пигменты, антипирены, наполнители и стекловолокно, вспенивающие агенты.

Ротационное формование применяется для производства изделий самого широкого ассортимента, имеющих внутренние и наружные поверхности сложной геометрической формы, стенки одинаковой или разной толщины и размеры от небольших до крупногабаритных. Этим способом можно получать изделия с толщиной стенки до 20 мм [1].

При выборе способа переработки крупнотоннажных термопластов необходимо определить показатель текучести расплава (ПТР). Под ПТР понимают массу расплава полимера в граммах, вытекающую через калиброванный капилляр стандартных размеров под действием фиксированной нагрузки при выбранной температуре расплава определенной для каждого полимера за 10 мин. или пересчитанную на длительность истечения 10 мин.

Оценка термопластов по их ПТР является основой для классификации марочного ассортимента по тому основному технологическому способу, который рекомендуется для переработки в изделия. В таблице 1 представлена зависимость способа переработки полимерных материалов от ПТР [4].

Производители композиционных материалов должны рассмотреть привлечение перерабатывающих компаний в цикл производства.

В апреле 2016 года я вел колонку под названием "Можно ли сделать переработанное углеродное волокно привлекательным?". Я написал ее после того, как на Североамериканской международной автомобильной выставке в Детройте увидел панель крыши BMW i8, которая была явно выполнена из углеродного волокна с прозрачным покрытием, восстановленного и переделанного из обрезков в процессе производства композитных материалов компанией BMW. На тот момент это был образчик весьма прогрессивного мышления, поскольку все другие примеры использования углеродного волокна на выставке сводились к тканым материалам, а здесь классический вид углеродного волокна был заметен под прозрачным покрытием.

С тех пор многое изменилось с развитием технологий переработки композиционных материалов и их применением во многих компаниях.

Переработка композиционных материалов также привлекла инвесторов из венчурных фондов и стратегических инвесторов, например, компанию Hexcel (Стамфорд, штат Коннектикут, США), имеющую долю в акционерном капитале фирмы Carbon Conversions Inc. (Лейк-Сити, штат Южная Каролина, США) в 2016 году, а в декабре 2018 года компания Mitsubishi Corp. (Токио, Япония) объявила, что приобрела 25% акций фирмы ELG Carbon Fibre Ltd. (Косли, Великобритания).

Возможно, наиболее важную роль играет постоянно растущий перечень целевых применений, в которых используются переработанные композиционные материалы, от крышек люков и парковых скамеек до материалов для 3D-печати, среди всего прочего.

На конференции посвященной углеродному волокну, в декабре 2018 года представители ELG, Vartega Inc. (Голден, штат Колорадо, США) и Composite Recycling Technology Center (CRTC, Порт Анджелес, штат Вашингтон, США) говорили о свойствах переработанных композиционных материалов (по их словам, сопоставимых с исходными) и уже готовых целевых применениях, которые могут повысить спрос на них.

Переработка композиционных материалов и отходов их производства преследует две основные цели: первая - избежать захоронения отходов на свалках, и вторая, возможно, наиболее важная, - найти способы восстановления и повторного использования данных материалов в полезных (и прибыльных) областях применения. Но каким методом достичь этих целей и какой будет наиболее рационален с точки зрения различного исходного сырья? Чтобы начать разговор на эту тему, я предлагаю метод классификации разных технологий переработки по шести уровням:

Уровень 0 - минимизация утиль-сырья, отправляемого на свалку, с помощью повышения качества обработки материалов и повторного использования отходов в других изделиях в рамках одного предприятия. Сюда входит применение малоотходных процессов, например, автоматической выкладки лент и автоматическая выкладка нитей сухого волокна и препрегов, а также повторное измельчение или дробление бракованных заготовок и их использование в сочетании с цельными или прерывающимися материалами в центральных слоях, при литье или компрессионном формовании. Такое применение подходит для термореактивных материалов и термопластика и должно быть в приоритете у всех производителей.

Уровень 1 - это изменение назначения отработанных материалов, отправляемых на свалку. Сюда входят перемолотые, дробленые и прессованные отходы из сухого волокна, а также неотвержденные препреги, не соответствующие требованиям или с истекшим сроком годности. Из них можно создать продукты, к которым предъявляются менее жесткие требования. Существует множество устройств для обработки отходов, содержащих волокно, и несколько предприятий, занимающихся "перепрофилированием" препрегов, например, CRTC.

Уровень 2 - это измельчение отвержденных композиционных материалов или отработанного волокна и неотвержденных препрегов и смешение их с дополнительной смолой в качестве связующего вещества в различных панелях и продуктах, заменяющих металл, дерево и бетон. Сырьем могут служить лопасти ветряных турбин, лодки, детали самолетов и автомобилей, срок годности которых истек, а также стекловолокно, углеродное волокно или пенопластовые заполнители. На этом уровне действуют две компании: Global Fiberglass Solutions Inc. (Ботелл, штат Вашингтон, США) и GreenTex Solutions LLC (Чарлстон, штат Южная Каролина, США).

На Уровне 3 волокна извлекают из промежуточной продукции, например, неотвержденных препрегов из термореактивных материалов и термопластика, получая волокна со свойствами, эквивалентными исходным, хоть и в измельченном или гранулированном виде либо в виде нетканых материалов. Компании ELG и Carbon Conversions (использующие пиролиз), а также Vartega (использующая сольволиз) предлагают углеродные волокна на этом уровне.

Восстановление волокон на Уровне 4 (отработанные отвержденные композиционные материалы и бракованные детали) и Уровне 5 (детали, срок годности которых истек) - это краеугольный камень переработки композиционных материалов. Среди доступных сейчас технологий - высокотемпературный пиролиз (ELG и Carbon Conversions), жидкостное химическое разрушение полимеров (Adherent Technologies, Альбукерке, штат Нью-Мексико, США) и метод двухэнергетического производства/восстановления волокна пиролизом, разработанный компанией CHZ Technologies (Оберн, штат Алабама, США). Экономическая оценка данных технологий крайне важна для достижения долгосрочного успеха.

Принимая во внимание имеющиеся варианты, производители композиционных материалов должны рассмотреть привлечение компаний, занимающихся переработкой, в цикл производства композиционных материалов наравне с поставщиками волокна, смолы и препрегов. Для этого им нужно быть готовыми вложить деньги в научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую деятельность, чтобы помочь развитию данных технологий. В декабре компания Boeing объявила о заключении соглашения с ELG сроком на пять лет о передаче отработанных композиционных материалов, отвержденных (Уровень 4) и неотвержденных (Уровень 3), с 11 производственных объектов в ELG для восстановления углеродного волокна. Это лишь начало, и пора и другим производителям последовать этому примеру. Отговорки не принимаются

Дейл Бросиус - главный специалист по коммерциализации Института инновационного производства композиционных материалов (IACMI), частно-государственного объединения, спонсируемого Министерством энергетики, занимающегося крупномасштабным производством композиционных материалов для энергетических отраслей промышленности, включая автотранспортные средства и ветровую энергию. Он также руководит собственной консалтинговой фирмой, обслуживающей клиентов из индустрии композиционных материалов по всему миру. За свою карьеру он работал в американских компаниях Dow Chemical Co. (Мидленд, штат Мичиган), Fiberite (Темпе, штат Аризона) и ее преемнике Cytec Industries Inc. (Вудленд Парк, штат Нью-Джерси), Bankstown Airport, NSW и в австралийских холдингах Quickstep. Он был председателем подразделений композиционных и термореактивных материалов в Обществе инженеров по переработке пластмасс. Бросиус имеет степень бакалавра наук химической инженерии Техасского университета A&M и степень магистра делового администрирования.

Вторичная переработка полимеров (рециклинг). Особенности технологии переработки вторичного сырья в изделия по сравнению с переработкой первичных полимеров (на примере полиамидов). Свойства композиций на основе вторичных полиамидов.

Выполнила ___________/ Михальченко К.А./

Приняла ___________/ Ушакова О. Б./

В наше время масштабы производства увеличиваются в геометрической прогрессии, а состояние окружающей среды ухудшается с каждым днем. Одной из причин этого являются отходы самых разных видов промышленности, накопление которых приводит к экологическим проблемам.

Ярким примером может служить производство различных изделий из пластмассы.

Из-за своей дешевизны и удобства в использовании пластмассой часто заменяются различные дорогостоящие металлы. Производство изделий из пластмасс широко используется в разных сферах промышленности, таких как приборо- и машиностроение, медтехника. С помощью данного материала создаются корпуса и панели приборов, различные детали.

В 2000 году мировое производство пластмассы превысило 220 млн тонн в год. Из этого числа около 40 % идет на производство упаковочных материалов, почти 30 % — на изготовление различных пленок, 5 % — в мебельную промышленность и 3 % — в техническую. Остальные 22 % используются в качестве конструкционных материалов в составе многослойных покрытий и для отделочных работ. К 1990-ым годам проблема утилизации пластмасс принимает общемировой характер.

К основным источникам отходов пластмасс относятся по большей части бытовые отходы (до 70 %), торговля и промышленность (чуть меньше 20 %), сельское хозяйство и строительство (по 3–5 %) и даже транспорт (до 6 %). [1]

Пластмассы не подвержены гниению и коррозии, поэтому уничтожить их трудно. Однако, если пойти путем прямой утилизации пластмасс, то есть сжигать данные изделия в специализированных установках, возможны вредоносные выбросы токсичных веществ в атмосферу.

В связи с этим, выгоднее всего проводить рециклинг, т. е. процесс возвращения отходов, сбросов и выбросов в процессы техногенеза.

Переработку вторичного сырья рассмотрим на примере полиамидов.

Полиамиды — пластмассы на основе линейных синтетических высокомолекулярных соединений, содержащих в основной цепи амидные группы —CONH—

Производство полиамидов составляет относительно небольшой процент от общего производства пластмасс. Однако исключительное положение полиамидов среди других полимеров в значительной степени обусловлено их высокой прочностью и стойкостью к ударным нагрузкам, способностью ориентироваться при холодной вытяжке и химической стойкостью амидной связи. Большое значение имеют и другие свойства, в том числе молекулярный вес. Основные выпускаемые промышленностью группы полиамидов—полиамид-6, полиамид-12, полиамид-66, полиамид-610

Так как ПА дорогостоящий материал, обладающий рядом ценных химических и физико-механических свойств, рациональное использование его отходов приобретает особую важность.

Многообразие видов вторичного ПА требует создания специальных методов переработки и в то же время открывает широкие возможности для их выбора.

Температуры плавления различных полиамидов значительно отличаются друг от друга: самая высокая Т_пл у ПА-66, самая низкая у ПА-12. Вследствие этого, многие их характеристики существенно отличаются друг от друга.

Применение ПА.

Текстильная промышленность (женские чулки, куртки, носки, ковровые покрытия, веревки и т.д.)

Автомобильная промышленность (колпаки автомобильных колес, корпус зеркал заднего вида и др.)

Приборостроение (кнопки, заклепки, стяжки для крепления проводов и кабелей и др.)

Медицина (зубное протезирование) и др.

Ряд отходов (изношенные чулочно-носочные изделия) содержит неполиамидные составляющие и требует специального подхода при переработке. Изношенные изделия загрязнены, причем количество и состав загрязнений определяется условиями эксплуатации изделий, организацией их сбора, хранения и транспортирования.

Основными направлениями переработки и использования отходов ПА можно назвать измельчение, термоформование из расплава, деполимеризацию, переосаждение из раствора, различные методы модификации и текстильную обработку с получением материалов волокнистой структуры. Возможность, целесообразность и эффективность применения тех или иных отходов обусловлены, в первую очередь, их физико-химическими свойствами.

Большое значение имеет молекулярная масса отходов, которая влияет на прочность регенерированных материалов и изделий, а также на технологические свойства вторичного ПА. Значительное влияние на прочность, термостабильность и условия переработки оказывает содержание низкомолекулярных соединений в ПА-6. Наиболее термостабильным в условиях переработки является ПА-6,6.

Для выбора методов и режимов переработки, а также направлений использования отходов важным является изучение термического поведения вторичного ПА. При этом значительную роль могут играть структурно-химические особенности материала и его предыстория.

Методы переработки отходов ПА.

Существующие способы переработки отходов ПА можно отнести к двум основным группам: механические, не связанные с химическими превращениями, и физико-химические. Механические способы включают измельчение и различные приемы и методы, использующиеся в текстильной промышленности для получения изделий с волокнистой структурой.

Механической переработке могут быть подвергнуты слитки, некондиционная лента, литьевые отходы, частично вытянутые и невытянутые волокна.

Измельчение является не только операцией, сопровождающей большинство технологических процессов, но и самостоятельным методом переработки отходов. Измельчение позволяет получить порошкообразные материалы и крошку для литья под давлением из слитков, ленты, щетины. Характерно, что при измельчении физико-химические свойства исходного сырья практически не изменяются. Для получения порошкообразных продуктов применяют, в частности, процессы криогенного измельчения.

Отходы волокон и щетины используют для производства рыболовной лесы, мочалок, сумочек и др., однако при этом требуются значительные затраты ручного труда.

Из механических методов переработки отходов наиболее перспективными, получившими широкое распространение следует считать производство нетканых материалов, напольных покрытий и штапельных тканей. Особую ценность для этих целей представляют отходы полиамидных волокон, которые легко перерабатываются и окрашиваются.

Физико-химические методы переработки отходов ПА могут быть классифицированы следующим образом:

• деполимеризация отходов с целью получения мономеров, пригодных для производства волокна и олигомеров с последующим их использованием в производстве клеев, лаков и других продуктов;

• повторное плавление отходов для получения гранулята, агломерата и изделий экструзией и литьем под давлением;

• переосаждение из растворов с получением порошков для нанесения покрытий;

• получение композиционных материалов;

• химическая модификация для производства материалов с новыми свойствами (получение лаков, клеев и т.д.).

Деполимеризация широко применяется в промышленности для получения высококачественных мономеров из незагрязненных технологических отходов.

Деполимеризацию проводят в присутствии катализаторов, которыми могут быть нейтральные, основные или кислые соединения.

Широкое распространение в нашей стране и за рубежом получил метод повторного плавления отходов ПА, которое проводят в основном в вертикальных аппаратах в течение 2–3 ч и в экструзионных установках. При длительном термическом воздействии удельная вязкость раствора ПА-6 в серной кислоте снижается на 0,4…0,7 %, а содержание низкомолекулярных соединений возрастает с 1,5 до 5–6 %. Плавление в среде перегретого пара, увлажнение и плавление в вакууме улучшают свойства регенерированного полимера, однако не решают проблемы получения достаточно высокомолекулярных продуктов.

В процессе переработки экструзией ПА окисляется значительно меньше, чем при длительном плавлении, что способствует сохранению высоких физико-механических показателей материала. Повышение влагосодержания исходного сырья (для снижения степени окисления) приводит к некоторой деструкции ПА.

Получение порошков из отходов ПА путем переосаждения из растворов представляет собой способ очистки полимеров, получения их в виде, удобном для дальнейшей переработки. Порошки могут применяться, например, для чистки посуды, как компонент косметических средств и др.

Перспективным направлением улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств изделий из вторичного ПКА является физическое модифицирование формованных деталей путем их объемно-поверхностной обработки. Термообработка образцов из вторичного ПКА, наполненного каолином и пластифицированного сланцевым мягчителем в нагретом глицерине приводит к росту ударной вязкости на 18 %, разрушающего напряжения при изгибе на 42,5 %, что может быть объяснено формованием более совершенной структуры материала и снятием остаточных напряжений.

Некоторое снижение физико-механических свойств полиамида после более чем четырехкратной переработки методом расплавления и литья под давлением устраняется добавлением в композицию наполнителей, в частности высокодисперсного стекловолокна. Это становится возможным, так как в процессе многократной переработки происходит не только изменение физико-механических свойств, но вследствие деструктивных процессов уменьшается вязкость полимера. Стеклонаполненный вторичный полиамид не только не уступает первичному полиамиду, но по некоторым показателям (прочностные, антифрикционные свойства) превосходит его.

Области применения стеклонаполненного вторичного полиамида определяются его высокой механической прочностью, сравнимой с прочностью легких металлов, что позволяет использовать его для изготовления различных деталей машин, в том числе вентиляторных колес, шестерен, шкивов и других деталей, а также деталей электрооборудования.

Регулирование свойств вторичного полиамида возможно также смешением его на стадии расплава с другими термопластами, например, с полиэтиленом. Такая композиция обладает повышенной износостойкостью, сопротивлением старению, химической стойкостью и меньшим водопоглощением по сравнению с исходным полиамидом.

Читайте также: