Вторичный полиэтилентерефталат (ПЭТ) : исследование свойств полимера, полученного из отходов упаковки

вторичный ПЭТ – середина;

вторичный ПЭТ – середина + донышко + горловина (крупная фракция);

вторичный ПЭТ – середина + донышко + горловина (средняя фракция);

вторичный ПЭТ – донышко + горловина (крупная фракция);

вторичный ПЭТ – донышко + горловина (средняя фракция);

вторичный ПЭТ – середина охлажденная (крупная фракция);

вторичный ПЭТ – середина охлажденная (средняя фракция);

вторичный ПЭТ – середина+ донышко + горловина охлажденная (крупная фракция);

вторичный ПЭТ – середина + донышко + горловина охлажденная (средняя фракция);

вторичный ПЭТ – донышко + горловина охлажденная (крупная фракция);

вторичный ПЭТ – донышко + горловина охлажденная (средняя фракция).

Охлажденные композиции предварительно подвергались криогенной обработке жидким азотом (температура азота -176 0С) и измельчению на молотковой дробилке. Другие – измельчению на роторно-ножевой дробилке. В целом все композиции подлежали вакуум-сушке при температуре 160 0C. Для всех композиций исследование физико-механических свойств (ФМС) было проведено по следующим группам:

I зависимость твердости от остальных ФМС;
II зависимость ударной вязкости от остальных ФМС;
III зависимость разрушительного напряжения при растяжении от остальных ФМС;
IV зависимость границы прочности на изгиб от остальных ФМС;
V зависимость границы прочности на сжимание от остальных ФМС.

Исходными для исследования физико-механических свойств взяты:

твердость (единицы шкалы);

ударная вязкость (кДж/м2);

разрушающее напряжение при растяжении (МПа);

граница прочности при изгибе (МПа);

граница прочности при сжатии (МПа).

Обработка исходных данных осуществлялась для всех групп по всем композициям, и также для первичного ПЭТ. Применяя метод многофакторного эксперимента, были получены математические модели, которые поддавались последующему анализу относительно соответствия модели первичного ПЭТ. Эти модели базируются на уравнении регрессии, где:

числовые коэффициенты уравнения регрессии, которые характеризуют влияние соответствующих свойств на исследуемое (зависимое) свойство;

числовой коэффициент, который характеризует начальный запас исследуемого свойства

соответствующие уровни физико-механических свойств, которые изменяются в зависимости от композиций, в безразмерной системе координат.

При этом каждое из свойств было переведено в безразмерную форму. Результаты математического анализа физико-механических свойств приведены в табл.1: каждая числовая величина определяет влияние данного свойства на исследуемое. За базовую модель была взятая модель, построенная на основе свойств первичного материала.

Таблица 1. Результаты исследований физико-механических свойств

Исследуемое свойство		Ударная вязкость, кДж/м2	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	Граница прочности при изгибе, МПа	Граница прочности при сжатии, МПа	Твердость, единицы шкалы
Твердость	Первичный	-18,8	20,86	15,38	-38,56	-
	Композиция 1	-11,44	31,598	13,828	-37,964	-
Ударная вязкость	Первичный	-	0,5	0,689	-0,94	0,3936
	Композиция 1	-	0,434	0,89	-1,2	0,372
Растущее напряжение при растяжении	Первичный	-11,949	-	9,334	-23,348	-11,95
	Композиция 1	-12,32	-	10,28	-22,3	-10,7
Граница прочности при изгибе	Первичный	-17,9	20,309	-	-39,1	-17,96
	Композиция 1	7,717	16,58	-	-43,68	-10,96

Композиция 1 – вторичный ПЭТ (середина)
Композиция 2 – вторичный ПЭТ (донышко + горловина охлажденная (крупная фракция)

Следовательно, математический анализ свойств композиций подтвердил некоторое их подобие с первичным материалом. Относительно возможности композиций стать альтернативой первичному материалу, то следует отметить следующие отрасли применения ПЭТ, в которых такая замена является целесообразной и абсолютно не отразится на качестве конечной продукции. Изделия, которые должны характеризоваться повышенной твердостью (защитные щитки, корпусные детали, тара для технических жидкостей), экономически выгодно изготавливать из материала вторичного ПЭТ (середина). Для изделий из ПЭТ, которые должны иметь высокую ударную вязкость (корпусные детали, крышки двигателей, защитные детали автомобилей), стоит использовать вторичный ПЭТ (донышко + горловина охлажденная (крупная фракция). Как исходный материал для изделий с повышенными требованиями относительно разрушающего напряжения при растяжении (наиболее распространенными являются трубы и трубные соединения) можно использовать вторичный ПЭТ (донышко + горловина охлажденная (крупная фракция) без ухудшения качеств изделия. Требования относительно повышенной прочности при изгибе наиболее удовлетворяет материал, полученный из вторичного ПЭТ (донышко + горловина охлажденная (крупная фракция). Из такого материала целесообразно изготавливать трубы, набивные и штапельные волокна и тому подобное.

Кроме физико-механических свойств, для изделия значительную роль играют теплофизические. Для них также были проведены исследования, исходными в которых стали коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, коэффициент объемной теплоемкости и объемная масса. В табл. 2 приведены результаты, полученные после проведения аналогичной обработки данных путем построения математических моделей в виде уравнений регрессии.

Таблица 2. Результаты исследований теплофизических свойств

Исследуемое свойство		Коэффициент температуропроводности, м2/с	Коэффициент теплоемкости, кДж/м3 К	Объемная масса, кг/м3	Коэффициент теплопроводности, Вт/м К
Коэффициент теплопроводности	Первичный	-0,0029	-0,099	0,0015	-
	Композиция 1	-0,00167	-0,01	0,002	-
Коэффициент температуропроводности	Первичный	-	-1,04*10-7	-7,075*10-7	4,5*10-10
	Композиция 1	-	-4,966*10-8	-4,96*10-8	8,08*10-8

Композиция 1 – вторичный ПЭТ (середина + донышко + горловина охлажденная (средняя фракция)
Композиция 2 – вторичный ПЭТ (середина + донышко + горловина (средняя фракция)

Применение композиций вторичного ПЭТ вместо первичного материала возможно лишь в некоторых случаях. Защитные, корпусные, теплоизоляционные элементы и тому подобное, ранее выпускаемые из первичного ПЭТ, более целесообразно изготавливать из материала на основе вторичного ПЭТ (середина + донышко + горловина охлажденная (средняя фракция). Первичный ПЭТ, который нашел применение для изготовления защитных корпусов радиаторов, полимерных пленок, и тому подобного, можно заменить материалом, полученным из композиции вторичного ПЭТ (середина + донышко + горловина (средняя фракция). Таким образом, на основе обработки и анализа результатов эксперимента было доказано, что рециклинг отходов ПЭТ – это не только оптимальное решение утилизации использованной упаковки, но и целесообразно с экономической точки зрения.

Экономическая целесообразность применения композиций на основе переработаного материала становится очевидной, если вспомнить, что на данный момент используется преимущественно импортированный первичный ПЭТ-гранулят европейского и азиатского происхождения, в основном - итальянский и южнокорейский, что значительно влияет на себестоимость изделия. Рециклинг тары из ПЭТ можно проводить на уже существующем оборудовании, без привлечения дополнительных производственных мощностей.

Следующим шагом в исследование процесса вторичной переработки стала оптимизация энергетических параметров процесса экструзийной переработки отобранных композиций. За наибольшим соответствием модели для первичного материала были отобраны такие композиции:

1. вторичный ПЭТ (середина + донышко + горловина охлажденная (средняя фракция);
2. вторичный ПЭТ (донышко + горловина охлажденная (крупная фракция).

Целью оптимизации является уменьшение расходов энергии привода при фиксированных значениях физико-механических и теплофизических свойств, которые удовлетворяют требованиям качества к исследуемой композиции. Благодаря проведению процесса оптимизации, достигается наиболее удачное сочетание физико-механических и теплофизических свойств при минимальных затратах энергии. Это гарантирует не только получение качественного материала с целью его последующего использования для изготовления разнообразных изделий, но и возможность выбирать, какие именно характеристики будут наиболее желаемыми для данного вида изделий и согласно с этим корректировать затраты на процесс вторичной переработки. При разработке рецептур и технологий получения полимерных композиций наиболее эффективным оказалось использование обобщенной функции желательности.

d 1 – частичная функция желательности по твердости (единицы шкалы);
d 2 – частичная функция желательности по ударной вязкости (кДж/м2);
d 3 – частичная функция желательности по разрушающему напряжению при растяжении (МПа); 
d 4 – частичная функция желательности по границе прочности при изгибе (МПа);
d 5 – частичная функция желательности по границе прочности при сжатии (МПа);
d 6 – частичная функция желательности по коэффициенту температуропроводности (м2/с);
d 7 – частичная функция желательности по объемной теплоемкости (кДж/м3 К);
d 8 – частичная функция желательности по объемной массе (кг/м3);
d 9 – частичная функция желательности по коэффициенту теплопроводности (Вт/м К).

Частичные функции желательности отображают соответствующие свойства материала, преобразованные в отзывы по безразмерной шкале желательности. D – обобщенная функция желательности, что отображает значение мощности, потребляемой экструзионной машиной во время вторичной переработки ПЭТ. Обобщенной функцией желательности является критерий оптимизации, в данном случае - это расходы энергии, которые необходимо минимизировать.

Метод будет использован для оптимизации полученной в предыдущих исследованиях математической модели. В табл. 3 (а, б) приведены результаты, полученные в результате сведения к одному данных из табл.1 и табл. 2

Таблица За: Результата расчетов

№ эксперимента	d1	d2	d3	d4	d5	d6	d7	d8	d9	D
1	0,098	0,068	0,59	0,054	0,00076	0,19	0,87	0,01	0,63	0,106
2	0,53	0,03	0,33	0,054	0,012	0,33	0,87	0,01	0,778	0,17
3	0,01	0,12	0,06	0,4	0,012	0,33	0,87	0,01	0,67	0,09
4	0,988	0,068	0,03	0,138	0,000000006	0,33	0,88	0,01	0,67	0,024
5	0,000062	0,19	0,146	0,655	0,012	0,4	0,88	0,01	0,63	0,058

Композиция: вторичный ПЭТ (донышко + горлышко охлажденное (крупная фракция)

Таблица 3б: Результата расчетов

№ эксперемента	d1	d2	d3	d4	d5	d6	d7	d8	d9	D
1	0,01	0,19	0,76	0,5	0,6*10-8	0,7	0,92	0,01	0,87	0,03
2	1,62*10-14	0,03	0,988	0,018	0,012	0,596	0,918	2,74*10-8	0,83	0,06
3	0,01	0,12	1	0,38	0,6*10-8	0,596	0,92	0,01	0,85	0,025
4	0,01	0,19	0,98	0,054	0,012	0,596	0,9	0,01	0,89	0,12
5	0,01	0,19	0,93	0,054	0,012	0,956	0,9	0,01	0,89	0,12

Композиция: вторичный ПЭТ (середина + донышка + горлышка охлажденнае (крупная фракция)

Из таблицы легко увидеть, что наиболее оптимальные результаты получены:
– для первой композиции – эксперименты 3, 4, 5. – для второй – 1, 3.

В этих экспериментах функция желательности минимальная, то есть получены наилучшие соединения свойств, которые обеспечивают минимальное значение мощности потребляемой экструзионной машиной при оптимальных свойствах полученной композиции. Разработанные на предыдущем этапе математические модели и сам процесс оптимизации подтверждают безусловную целесообразность самого процесса рециклинга. Избранные композиции (вторичный ПЭТ (донышко + горловина охлажденная (крупная фракция) и вторичный ПЭТ (середина + донышко + горлышко охлажденное (крупная фракция) также свидетельствуют о целесообразности включения в технологический процесс предыдущего охлаждения исходного сырья. Ведь сходство математических моделей отмеченных композиций с математической моделью первичного ПЭТ подчеркивает подобие их свойств и возможность применения рециклата ПЭТ в качестве материала для производства упаковочной продукции, которая раньше изготавливалась из первичного сырья. Проведение процесса оптимизации для этих композиций позволяет избрать наиболее желаемое сочетание физико-механических и теплофизических свойств и дополнительно уменьшить расходы энергии, что положительно отразится на стоимости процесса переработки.

Математическая обработка данных эксперимента дала возможность оценить характеристики вторичного материала и сравнить их с характеристиками первичного — для определения возможных направлений применения рециклата как исходного материала для упаковочной или другой промышленности. Реализация теории оптимизации дала возможность предусмотреть наиболее оптимальный состав композиций на основе фракций вторичного материала и уменьшить потребляемую мощность экструзионной переработки.

О.В. Перковская, магистр НТУУ «КПИ», И.В. Коваленко, к.т.н., доцент, О.И. Коваленко, аспирант, С.О. Пристайлов, к.т.н., доцент