Технология производства материалов из полистирола

После вылеживания в бункере вылежки вспененные гранулы полистирола ПСВ-С пневмотранспортом подаются в предварительно прогретую блок-форму БФ-1000, из которой откачали конденсат. Блок-форму загружают вспененными гранулами полистирола до верха и герметично закрывают. Для оптимального режима формовки блока пенополистирола пар в полости формы подается последовательно: сначала под максимальным давлением (5,5 атм) пар подается в передний борт и заднюю стенку блок-формы. Под действием теплового удара происходит «спекание» основного массива блока и его центральной части, затем пар подается в верхнюю крышку и днище блок-формы, происходит формирование верхней и нижней части блока. На третьем этапе пар подается в торцовые стенки блок-формы -спекаются торцы блока пенополистирола. Процесс закончен. Сформованный блок пенополистирола необходимо охладить, поэтому подключают блок вакуумирования УВК-3, откачивают из полостей пар и конденсат, закачивают воздух, стабилизируют внутреннее давление внутри камеры и выравнивают в соответствии с давлением снаружи блок-формы. Контроль подачи вспененных гранул полистирола ПСВ-С. Контроль режима тепловой обработки. Контроль массы блока пенополистирола.

Борта блок-формы открываются, извлекают готовый блок пенополистирола, взвешивают и удаляют из рабочей зоны для охлаждения. Охлажденный блок пенополистирола транспортируется на склад вылежки и сушки блоков. Резка влажного блока не допускается, т. к. срез блока будет рваным и неровным. Контроль времени хранения блоков пенополистирола и температуры в производственном помещении.

Сухой блок пенополистирола режется на резательном столе. Толщину плиты пенополистирольной можно регулировать от 0 до 500 мм. Контроль режимов резки блока пенополистирола.

Готовую продукцию принимает служба технического контроля.

Плиты пенополистирольные, принятые службой технического контроля, маркируют, упаковывают и транспортируют на склад готовой продукции.

6. Утилизация и вторичная переработка полистирола, бывшего в употреблении

Процесс производства подавляющего большинства полимерных изделий из полистирола не обходится без отходов. Однако следует отметить, что не только процесс производства той или иной продукции является источником отходов полистирола. В число отходов входит полистирольная мука, дробленка, неликвидная продукция, сливы.

Полистирольные отходы представляют собой определенную ценность, являясь исходным сырьем в процессе рециклинга. Переработка отходов полистирола, получение вторичного сырья является огромным сегментом современного рынка полимеров.

Все большее количество компаний-производителей вторичного сырья скупают полистирольные отходы для их дальнейшей переработки и, соответственно, продажи. Некоторые скупщики отходов специализируются именно на покупке и переработке, некоторые - только на их покупке. На сегодняшний день переработка отходов полистирола и изготовление вторичной продукции является достаточно выгодным бизнесом, приносящим хорошую прибыль.

В процессе эксплуатации изделий из полимеров появляются отходы.

Бывшие в употреблении полимеры под действием температуры, окружающей среды, кислорода воздуха, различных излучений, влаги в зависимости от продолжительности этих воздействий изменяют свои свойства. Значительные объемы полимерных материалов, которые эксплуатируются на протяжении длительного времени и выбрасываются на свалки, загрязняют окружающую среду, поэтому проблема утилизации полимерных отходов чрезвычайно актуальна. Вместе с тем, эти отходы являются хорошим сырьем при соответствующей корректировке композиций для изготовления изделий различного назначения.

К бывшим в употреблении полимерным строительным материалам относятся полимерные пленки, используемые для накрытия парников, для упаковки строительных материалов и изделий; настилы полов коровников: рулонные и плиточные полимерные материалы для полов, отделочные материалы для стен и потолков; теплозвукоизоляционные полимерные материалы; емкости, трубы, кабели, погонажные и профильные изделия и т.д.

В процессе сбора и утилизации вторичного полимерного сырья применяются различные методы идентификации полимеров. Среди множества методов наиболее распространены следующие:

ИК-спектроскопия (сравнение спектров известных полимеров с утилизируемыми);

· ультразвук (УЗ). В основу положено затухание УЗ. Определяется индекс HL по отношению затухания звуковой волны к частоте. УЗ-прибор подключается к компьютеру и устанавливается на технологическую линию утилизации отходов. Например, индекс HL ПЭНП 2,003 106 сек с отклонением 1,0%, а HL ПА-66 -- 0,465 106 сек с отклонением ± 1,5%;

· рентгеновские лучи;

· лазернопиролизная спектроскопия.

Разделение смешанных (бытовых) отходов термопластов по видам проводят следующими основными способами: флотационным, разделением в жидких средах, аэросепарацией, электросепарацией, химическими методами и методами глубокого охлаждения. Наибольшее распространение получил метод флотации, который позволяет разделять смеси таких промышленных термопластов, как ПЭ, ПП, ПС и ПВХ. Разделение пластмасс производится при добавлении в воду поверхностно-активных веществ, которые избирательно изменяют их гидрофильные свойства. В некоторых случаях эффективным способом разделения полимеров может оказаться растворение их в общем растворителе или в смеси растворителей. Обрабатывая раствор паром, выделяют ПВХ, ПС и смесь полиолефинов; чистота продуктов -- не менее 96%. Методы флотации и разделения в тяжелых средах являются наиболее эффективными и экономически целесообразными из всех перечисленных выше.

Полистирольные пластики, бывшие в употреблении, могут быть использованы в следующих направлениях: утилизация технологических отходов ударопрочного полистирола (УПС) и акрилонитрилбутадиен-стирольного (АБС) - пластика методами литья под давлением, экструзии и прессования; утилизация изношенных изделий, отходов пенополистирола (ППС), смешанных отходов, утилизация сильно загрязненных промышленных отходов.

Значительные объемы полистирола (ПС) приходятся на вспененные материалы и изделия из них, плотность которых находится в пределах 15-50 кг/м3. Из этих материалов изготавливают матрицы форм для упаковки, кабельную изоляцию, ящики для затаривания овощей, фруктов и рыбы, изоляцию холодильников, рефрижератов, поддоны для ресторанов фаст-фуд, опалубку, теплозвукоизоляционные плиты для изоляции зданий и сооружений и т.д. Кроме того, при транспортировании бывших в употреблении таких изделий резко снижаются транспортные расходы из-за низкой насыпной плотности отходов вспененного ПС.

Один из основных методов рециклинга отходов вспененного полистирола -- механический способ переработки. Для агломерации применяют специально разработанные машины, а для экструдирования -- двухшнековые экструдеры с зонами дегазации.

Пункт потребителя является основным местом размещения оборудования для механического рециклинга отходов изделий из вспененного полистирола, бывших в употреблении. Загрязненные отходы вспененного ПС подлежат осмотру и сортируются. При этом извлекаются загрязнения в виде бумаги, металла, других полимеров и различных включений. Полимер измельчается, моется и подвергается сушке. Для обезвоживания полимера используется метод центрифугирования. Окончательное измельчение производится в барабане, а из него отходы поступают в специальный экструдер, в котором подготовленный к переработке полимер сжимается и расплавляется при температуре около 205-210 °C. Для дополнительной очистки расплава полимера устанавливается фильтр, который работает по принципу перемотки фильтрующего материала или кассетного типа. Отфильтрованный расплав полимера поступает в зону дегазации, где шнек имеет более глубокую нарезку в сравнении с компрессионной зоной. Далее расплав полимера поступает в стренговую головку, стренги охлаждаются, сушатся и гранулируются. В процессе механической регенерации отходов ПС происходят процессы деструкции и структурирования, поэтому важно, чтобы материал подвергался минимальному напряжению сдвига (функция геометрии шнека, числа оборотов и вязкости расплава) и малому времени пребывания под термомеханической нагрузкой. Снижение деструктивных процессов производится за счет галогенирования материала, а также введения в полимер различных добавок.

Механический рециклинг вспененного полистирола регулируется исходя из области применения вторичного полимера, например, для получении изоляции, картона, облицовки и т.д.

Вторичная переработка однородных полимеров -- относительно простая задача, если их структура сохранилась и ни во время изготовления, ни во время первичного использования не было значительной деструкции. Разумеется, процесс деструкции, следствием которого могут быть структурные и морфологические изменения, вызванные уменьшением молекулярной массы, образованием ветвей, других химических групп и т.п., приводит к существенному ухудшению всех физических свойств.

Если вторичные материалы, сохранившие свои свойства, могут быть использованы в тех же приложениях, что первичные полимеры, то вторичные материалы с пониженными свойствами можно использовать только в специфических приложениях. Поэтому при механической повторной переработке однородных полимеров задача заключается в том, чтобы избежать дальнейшей деструкции в ходе технологического процесса, то есть избежать ухудшения свойств конечного материала. Этого можно достичь правильным выбором оборудования для переработки, условий переработки неведением стабилизаторов.

Полистирол (ПС) имеет множество применений, таких как упаковка, электронные и электрические устройства, игрушки и другое. Различные типы ПС охарактеризованы в таблице 10.

Таблица 10 - Типы полистирола

Деструкция ПС происходит главным образом в результате воздействия высоких температур, но присутствие кислорода, механическое напряжение и длительное нахождение на открытом воздухе существенно ускоряет кинетику деструкции. На рисунке 7 показано снижение молекулярной массы после экструдирования при различной температуре в присутствии кислорода и без кислорода. Как можно видеть, температура максимальной стабильности лежит в области 180 0С. Очевидно, что влияние температуры пренебрежимо мало по сравнению с фактором присутствия кислорода. Механическое напряжение и время воздействия также могут оказывать существенное влияние на кинетику деструкции при переработке ПС.

Термомеханическая стабильность ПС неплохая при низких и умеренных скоростях перемешивания (то есть при низком и умеренном механическом напряжении), но она падает с увеличением напряжения, приложенного к расплаву.

В предыдущем примере предполагалось, что молекулярная масса и свойства ПС лишь незначительно изменяются при переработке расплава. Действительно, повторные циклы литья под давлением образцов ПС, бывшего в употреблении, не вызывали значительных изменений свойств конечного материала.

Другие экспериментальные данные подтверждают этот результат, показывая уменьшение предела прочности и относительного удлинения. Однако конечные механические свойства все-таки удовлетворяют требованиям, необходимым для обычного использования полимера. Интересной чертой вторичной переработки ПС является то, что, в то время как повторные технологические манипуляции не влияют существенно на его механические свойства (о чем говорилось выше), вязкость полимера резко падает. Уменьшение молекулярной массы зависит от условий переработки и от начальной молекулярной массы. В таблице 11 показано изменение молекулярной массы после одного цикла экструзии для трех различных образцов.

Таблица 11 - Молекулярная масса ПС до и после одного цикла экструзии

Чем больше исходная молекулярная масса, тем заметнее ее падение после экструдирования. Приведенные данные ясно указывают на то, что деструкция расплава существенно усиливается механическим напряжением, так как «пружина» деструкционного процесса становится сильнее с ростом исходной вязкости расплава. Такое поведение ведет к улучшению перерабатываемости без влияния на конечные свойства материала.

Существует метод деполимеризации отходов полистирола. Для этого отходы ПС или вспененного ПС измельчаются, загружаются в герметический сосуд, нагреваются до температуры разложения, а выделяющийся вторичный стирол охлаждается в холодильнике и полученный таким образом мономер собирается в герметическом сосуде. Метод требует полной герметизации процесса и значительных энергозатрат. Новый процесс может оказаться более выгодным с экономической точки зрения, чем обычная переплавка отходов и изготовление из них изделий низкого качества - деполимеризация и возврат к мономеру, в итоге, позволяет получать материалы и изделия более высокого качества.

Руководитель исследования, Ленни Шмидт (Lanny Schmidt) из Универистета Миннесоты заявляет, что в США вторичной переработке подвергается менее половины отходов пластмасс, в целом же в мире дела с вторичной переработкой полимеров обстоят еще хуже - эти отходы либо сжигают, либо держат на мусорных полигонах. Он добавляет, что даже те полимеры, которые подвергаются вторичной переработке, становятся сырьем лишь для дешевых изделий, так как зачастую такие полимеры, идущие на вторичную переработку, загрязнены или смешаны с другими материалами, а их очистка, как правило, слишком затратна.

Простое плавление пластиковых отходов и формирование из расплава новых изделий может быть экологически грязным процессом, поскольку при этом пластик может разлагаться и обугливаться с выделением токсичных газообразных веществ. Исследователи из группы Шмидта поставили перед собой задачу переработки пластика в исходный мономер, который затем может снова подвергнуться полимеризации с образованием свежей порции чистого полимера. Ряд других исследовательских групп ранее уже демонстрировал возможность деполимеризации образцов полистирола, однако для того, чтобы быть экономически оправданным, желательно, чтобы такая деполимеризация протекала в рамках непрерывного процесса.

Процесс, разработанный в группе Шмидта, основан на применении платинового или родиевого катализатора в комбинации с церием, закрепленного на подложке из оксида алюминия. Отходы полистирола непрерывно подаются в реактор, где они контактируют с горячим катализатором, и происходит разложение материала до стирола, который отводится из реактора в виде газа.

Шмидт подчеркивает, что хотя стирол, образующий в ходе этого процесса, потенциально мог бы быть загрязнен различными продуктами пиролиза, включая бензол, толуол, этилбензол и олигомеры стирола, содержание примесей было не столь высоко, и чистота продукта достигала 80%. При этом лабораторный модельный реактор, загрузка катализатора в который составляет 1 грамм, в день может обработать около килограмма полистирольных отходов, такой реактор может быть увеличен до того, чтобы вести переработку полистирола в промышленных масштабах.

Однако, Мартин Оласар (Martin Olazar) из отмечает, что несмотря на высокий выход стирола, этот выход обеспечивается высоким расходом водорода (который питает реактор в качестве топлива) и применением катализаторов на основе благородных металлов, что, несомненно, увеличивает стоимость процесса, но, по словам Шмидта, экономическая эффективность того или иного процесса определяется целым рядом факторов, и эффективный процесс деполимеризации полистирола (который, кстати, нельзя реализовать для ряда полимеров, таких, как полиэтилен), вполне может быть внедрен и использован для вторичной переработки полимерных материалов.

Рекуперация энергии.

Рекуперация энергии пенополистирола путем сжигания отходов и ее использование для выработки электроэнергии или отопления - это эффективный способ повышения ценности пластических масс. Достоинством рекуперации энергии является также ее положительное влияние на естественную среду. Даже если рекуперация энергии не производится, наличие пенополистирола в сжигаемых отходах способствует экономии используемого для этого топлива.

Некоторые страны, особенно Дания и Швейцария, уже инвестируют в технологию рекуперации энергии. В настоящее время они сжигают до 80% твердых коммунальных отходов. В этих странах разработаны системы контроля выпуска вредных веществ в атмосферу, отвечающие действующим нормам, благодаря чему установки для сжигания отходов могут действовать в густонаселенных районах, не оказывая вредного влияния на здоровье людей и естественную среду.

При необходимости получить в результате переработки отходов полистирола мономеры, используется технология деполимеризации, сопровождающаяся достаточно невысокими температурами и давлением.

Наиболее широкое распространение вторичный полистирол получил при изготовлении теплоизоляционных материалов и изделий, кроме того, полистирольные отходы включаются в состав сырья, используемого при производстве мелкозернистого полистиролбетона.

Отходы полистирола нашли свое применение и в декоре. Исследователи Университета Манчестера и Лидса смогли получить новый композитный материал, армировав карбонат кальция частицами полистирола. Полученный материал является искусственным аналогом всем известных «ракушек» (морская раковина).

Материал, в составе которого находятся отходы полистирола, отличается относительной эластичностью и прочностью, показатели которых можно менять, экспериментируя с соотношением исходных компонентов. В данном случае частицы полистирола являются армирующим веществом, которое предотвращает процесс растрескивания. Эксплуатационные характеристики нового материала, несомненно, имеют наибольшее значение для сфер строительства, так как они могут способствовать созданию новых прочных строительных материалов.

Заполнение углублений местности.

Вопреки общепринятому мнению, заполняемые места - это не компостные ямы, а территории, предназначенные для постоянного использования. При наличии достаточного количества геологических углублений, их заполнение во многих странах является по-прежнему наиболее дешевым и простым способом ликвидации твердых отходов. После заполнения углублений эти территории могут использоваться тем или иным образом, причем они достаточно стабильны, чтобы не пострадать вследствие осадки грунта, загрязнения грунтовых вод или накопления взрывчатых газов, образующихся при разложении материалов.

Пенополистирол является идеальным материалом для заполнения углублений местности, так как он устойчив в механическом отношении и нейтрален химически. Однако, в комплексной программе утилизации отходов, заполнение углублений местности должно быть способом, используемым лишь в крайнем случае.

Заключение

пенополистирольный винильный сферолитный надмолекулярный

Изучение полимеров, их физических и химических свойств, а так же взаимодействие различных полимеров друг с другом, приводит к появлению новых соединений, которые соответствовали бы нужным свойствам. Например, можно создавать ударопрочные соединения, или соединения сочетающие несколько нужных свойств, например ударопрочность, морозостойкость, стойкость к воздействию солнечных лучей.

Так изучение полистирола одного из известных полимеров привело к его активному использованию. Мы порой даже не задумываемся, из чего сделан тот, или иной предмет окружающий нас. Все чаще натуральные материалы, например дерево, заменяется пластмассами, которые гораздо дешевле, и износостойкие.

На примере полистирола ударопрочного можно убедиться как с добавлением в материал некоторых примесей и должной обработке можно получить совершенно отличный от исходного продукт, который будет намного выгоднее использовать в производстве.

В условиях постоянно развивающихся технологий мы можем сочетать различные материалы для получения совершенного продукта, который позволит экономить доступные ресурсы для развития производства.

Можно сделать один большой вывод: нужно изучать новые материалы, во-первых, натуральных материалов осталось не так уж и много, во-вторых, изучая полимеры можно создавать соединения которые в разы превосходят натуральные, а в-третьих, полимеры стали использоваться в промышленности относительно недавно и есть возможность открывать что-то новое.

Список литературы

1. Малкин А.Я. Полистирол. Физ. хим. основы получения и переработки. - М.: Химия, 1975.

2. Иванова В.И. Технология резиновых технических изделий. Л.: Химия, 1988. - 216с.

3. Балаев Г.А. Полимерные материалы: оправ, пособие. Л.: Химия, 1982. - 430с.

4. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы: свойства и применение: справ. Л.: Химия, 1982.

5. Садовский В.В., Самойлов М.В. Производственные технологии. Учебник. Минск, 2008.

6. Самойлов М.В. Введение в курс «Товароведение».

7. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий: Справочное пособие. - Л.: Химия, 1987. 416с.

8. Каменев, Е.И.,Мясников, Г.Ф., Платонов, М.П. Применение пластических масс. - Л.: Химия, 1985. 448с.

9. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы: Справочник. - Л.: Химия, 1978. 384с.

10. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов. - СПб: Профессия, 2004. 464с.

Размещено на Allbest.ru