Утилизация пластмассовых деталей автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

УТИЛИЗАЦИЯ ПЛАСТМАССОВЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ

Детали из пластмасс широко используются в современном автомобиле. Из них изготавливают крупногабаритные изделия с большой массой (бамперы, панель приборов, каркасы облицовки крыши и дверей кузова, сиденья, бензобак и др.), а также многочисленные сравнительно небольшие детали автомобиля (расходные бачки рабочих жидкостей, ручки, декоративные накладки, детали электронного оборудования и многое другое). На рис. 1 показаны некоторые детали из полимеров, используемые в автомобиле BMW.

Рис. 1. Детали из пластмасс автомобиля BMW

Масса пластмасс в отечественном автомобиле «Лада» приближается к 100 кг. Далеко не всегда при утилизации автомобилей демонтируемые с них детали из пластмасс пригодны для восстановления и повторного использования. Поэтому утилизация пластмассовых деталей выводимых из эксплуатации автомобилей имеет большое значение, позволяя сократить потребление первичных материальных и энергетических ресурсов и снизить нагрузку на окружающую среду.

Известны следующие основные способы обращения с отходами пластмасс:

- переработка во вторичное полимерное сырье для повторного использования при производстве изделий;

- пиролиз с получением углеводородного сырья для энергетического и химического применения;

- сжигание вместе с твердыми бытовыми отходами с получением тепловой и электрической энергии;

- захоронение на полигонах.

Основным способом обращения с отходами пластмасс должно стать их повторное использование, выполняющее при производстве изделий из пластмасс такую же роль, какую играет металлолом в металлургии. Однако в силу различных, прежде всего организационных, причин это сделать не всегда удается. Поэтому некоторое количество отходов пластмасс, образующихся при утилизации автомобилей, подвергается пиролизу, сжигается и захоранивается.

Пиролиз полимерных материалов проводится при температуре 400...500 °С при ограниченном доступе воздуха. Продуктами пиролиза являются ценные сырьевые материалы: пиролизный газ, не уступающий по своим свойствам природному газу, пиролизная смола, являющаяся ценным продуктом для синтеза полимерных материалов, и твердый углеродный остаток, идущий на изготовление адсорбента.

Пластмассы обладают высокой теплотворной способностью. Некоторые из них (полиэтилен, полипропилен и др.) превосходят по этому показателю природные топливные ресурсы - уголь и нефть. Поэтому трудно отделяемые от других материалов пластмассовые детали небольшого размера сжигают. В отличие от природного топлива при сжигании пластмасс выделяются токсичные продукты, что требует значительных затрат на очистку дымовых газов.

Захоронение - со всех точек зрения нерациональный способ обращения с пластмассовыми отходами, т.к. не приносит никакого экономического или технического результата, но требует строительства дорогостоящих полигонов.

Таблица 1. Технические характеристики роторных измельчителей пластмасс

Производительность измельчителя определяется видом отходов и конструктивными особенностями установки: количеством и длиной ножей, а также скоростью вращения ротора. В процессе работы производительность роторных измельчителей падает вследствие износа ножей. Поэтому при падении производительности измельчителя на 20...30% от первоначального значения при работе на одном материале необходимо проводить их заточку.

Степень измельчения отходов определяется размером ячеек сита, ограждающего камеру помола со стороны выхода измельченного материала. Размер частиц измельченных отходов может изменяться от 3...5 до 25...30 мм.

Конструкция измельчителя приведена на рис. 2.

Роторные измельчители при работе издают сильный шум. С целью его уменьшения измельчитель вместе с двигателем и вентилятором заключают в шумозащитный кожух, что позволяет снизить уровень шума на 10.. .15 дБ.

В процессе вторичного использования пластмасс необходимо предотвратить или уменьшить ухудшение физикомеханических и реологических свойств вследствие термомеханического воздействия, которому подвергается полимер при измельчении, гранулировании и формовании. С этой целью в композиции на основе вторичных полимерных материалов вводят дополнительные стабилизаторы, позволяющие сохранить их эксплуатационные характеристики. Для различных видов полимеров разработаны и известны такие стабилизирующие вещества.

Рис. 2. Роторно-ножевой измельчитель с водяным охлаждением:

1 - поворотная плита; 2 - электродвигатель; 3 -лоток; 4 - съемная калибрующая решетка; 5 - ротор; 6 - статор; 7 - маслоотражатели;

8 - ножи ротора; 9 - загрузочный бункер; 10 - маховик; 11 - упорные подшипники; 12 - массодробители; 13 - регулируемые ножи статора;

14 - штуцер для подачи воды

Помимо режущих грануляторов используют экструдеры- грануляторы. Гранулирование в экструдерах позволяет осуществить направленную модификацию отходов с получением продуктов с улучшенными свойствами за счет добавления в композицию специальных ингредиентов.

Червячные экструдеры для гранулирования отходов термопластов имеют узел дегазации. В зависимости от последовательности двух процессов, проходящих во время гранулирования, - резки и охлаждения - процесс осуществляют двумя способами. Выбор способа гранулирования зависит от свойств полимера: вязкости и адгезии расплава термопласта к металлу.

При горячем гранулировании на экструзионной головке расплав выдавливается через отверстия решетки (количество которых достигает 300) в виде жгутов (стренг) и тут же срезается скользящими вдоль решетки ножами. Полученные при резке гранулы охлаждаются воздухом или водой. Таким способом гранулируют полиолефины, в частности, полипропилен, широко используемый для изготовления бамперов автомобилей.

При холодном гранулировании жгуты расплава полимера после выхода из экструзионной головки сразу поступают в ванну с водой, охлаждаются, а затем нарезаются на гранулы ножом гильотинного типа. Температура воды поддерживается в пределах 50...70°С, что позволяет ей интенсивно испаряться с поверхности гранул. Расход воды составляет 40 м³ на 1 тонну гранулята. Размер гранул зависит от диаметра отверстий решетки экструдера и скорости вращения шнека. Полученные гранулы используются в качестве полноценного заменителя первичного сырья.

Производительность экструдера-гранулятора зависит от диаметра шнека и вида перерабатываемого пластика. Она изменяется от 40 до 500 кг/ч.

На рис. 3 показана линия горячего гранулирования.

Рис. 3. Установка горячего гранулирования термопластов

отход пластмасса измельчитель переработка

Установка состоит из бункера-питателя, экструдера шнекового, гранулирующей головки с устройством резки, водяной ванны охлаждения, шнекового транспортера и центрифуги для отделения воды.

1) Утилизация деталей из полиолефинов. К полиолефинам, применяемым в автомобилестроении, относятся полиэтилены высокой и низкой плотности (ПЭВП и ПЭНП) и полипропилен (ПП). Из полиэтилена высокой плотности производят различные мелкие детали автомобиля, сравнительно недавно из него начали изготавливать бензобаки. Из полиэтилена низкой плотности делают пленку. Полипропилен широко используется для изготовления бамперов, панели приборов автомобиля и других деталей.

Особенностью термопластов, и в частности полиолефинов, является возможность их многократной переработки путем расплавления и повторного формования без существенного изменения характеристик.

В табл. 2 приведено изменение свойств полипропилена в процессе многократной переработки.

Таблица 2. Влияние многократной переработки способом литья под давлением на свойства полипропилена

Данные табл. 2 показывают, что при 3...4-кратной переработке свойства полипропилена изменяются незначительно. Это позволяет смешивать гранулы вторичного полипропилена, получаемые при утилизации деталей автомобилей, с гранулами первичного материала для производства новых изделий.

2)Утилизация деталей из пенополиуретана. Из пенополиуретана изготавливают подушки и спинки сидений, подголовники, подлокотники и другие детали автомобилей. Материал обладает высокой объемной деформацией, т.к. имеет низкую плотность. Среди технологий утилизации изделий из пенополиуретана следует выделить:

- переработку, связанную с предварительным растворением отходов и выделением исходного сырья;

- гидролиз полиуретановых отходов;

- дробление и использование полиуретановых отходов в качестве наполнителей.

При растворении измельченные отходы эластичного пенополиуретана (ППУ) при температуре 180...200 °С при непрерывном перемешивании обрабатывают растворителем до получения гомогенного раствора. Полученный раствор смешивают с исходным полиэфиром, изоцианатом или форполимером. Из полученной смеси растворитель может бьггь удален при повышенной температуре под вакуумом с остаточным давлением менее 10 мм рт.ст.

Продукты, полученные из отходов ППУ, являются сырьем для заливочных композиций, использование которых позволяет изготавливать изделия с меньшей стоимостью и обеспечить экономию первичного сырья. Содержание отходов в конечном продукте может достигать 20 %.

Гидролизная технология заключается в обработке отходов ППУ водяным паром при давлении 0,05...0,15 МПа и температуре не ниже 185 °С в присутствии аммиака, способствующего увеличению скорости процесса. В результате гидролиза получают сырьевые продукты - диамины и жидкие олигомеры, пригодные для получения новых материалов.

Измельченные отходы ППУ в виде порошка можно добавлять в термопластичный полиуретан, в резиновые смеси на основе нитрильных, хлоропреновых и других полярных эластомеров в качестве усиливающих наполнителей.

Например, для изготовления различных эластичных деталей используют композицию из 6...25 % уретанового форполимера, 4...5 % полистирола и 70...90 % измельченных отходов ППУ. Возможно также изготовление формованных деталей из отходов пористых или непористых полиуретановых эластомеров. Для этого их измельчают, пластицируют в экструдере с одновременным отводом газообразных продуктов, причем термообработку ведут с регулированием температуры по зонам:

130...170°С в первой зоне и 160...190°С во второй. Полученные компаунды представляют собой эластичные термопластичные материалы, которые обладают хорошими физикомеханическими свойствами и применяются при изготовлении формованных деталей способом литья под давлением.

3) Утилизация деталей из полистирольных пластиков. Полистирольные пластики широко применяются в различных отраслях промышленности. В автомобильной промышленности используются изделия из ударопрочного полистирола и акрило- нитрилбутадиенстирола (АБС). Это детали облицовки интерьера, различные крупногабаритные детали, получаемые термоформованием из листовых материалов.

В табл. 3 приведены данные об изменении свойств полистирола в процессе многократной переработки.

Многократная (до 5 раз) экструзия полистирола, как видно из данных табл. 3, приводит к незначительному изменению его характеристик, за исключением относительного удлинения.

Таблица 3. Влияние многократной переработки на свойства ударопрочного полистирола

Наиболее простым и эффективным способом утилизации отходов полистирольных пластиков является их дробление и использование полученной крошки в качестве добавок к исходному материалу. При содержании в композиции до 20 % по массе вторичного пластика эксплуатационные и технологические характеристики материала практически не отличаются от свойств первичного полимера.

Измельчение амортизованных изделий из полистирольных пластиков проводится на роторных дробилках, а полученная крошка вследствие однородности по гранул оме грическому составу не требует дополнительной грануляции через расплав. Для последующей переработки литьем под давлением целесообразно использовать крошку размером около 5 мм.

4) Утилизация деталей из реактопластов. Наряду с термопластами в автомобилестроении иногда используются и реактопласты, которые не плавятся при нагревании. Их утилизация описанными выше технологиями невозможна. К ним относятся, в частности, стеклопластики, которые используются, в основном, для тюнинговой доводки автомобиля.

Стеклопластики состоят из термореактивного полимера и стеклянного наполнителя в виде нитей или текстильной основы. Стеклянный наполнитель, являясь чрезвычайно прочным, для своего разрушения требует значительных затрат энергии. К тому же его частицы обладают высокой абразивностью, что приводит к быстрому износу ударных органов измельчающего оборудования.

Для измельчения отходов стеклопластиков используются дезинтеграторы специальной конструкции, основным ударным органом которых являются пальцы двух роторов, вращающихся навстречу друг другу с высокой скоростью (более 120 м/с). За время пребывания в камере дезинтегратора, которое составляет всего 0,25 с, материал разрушается с образованием частиц размером в несколько микрон, приобретая совершенно новые физико-химические свойства. У частиц такого порошка имеются функциональные группы, делающие его активным наполнителем. Кроме того, резко возрастает их удельная поверхность. Размер частиц органической части порошка, т.е. самого реактопласта, составляет 3...20мкм. Они агрегируются в конгломераты размером до 100 мкм, имеющие сферическую форму. Стеклянные частицы наполнителя вытянуты, нитеобразны, отношение длины к диаметру такой частицы составляет 1,5.. .2,0.

Стеклопластиковые порошки называют органоминеральным наполнителем (ОМН). Такой наполнитель выполняет роль модификатора: благодаря наличию функциональных групп на поверхности частиц он участвует в химическом взаимодействии с полимером. За счет этого ускоряется процесс образования трехмерной структуры, а полученные материалы приобретают высокие физико-механические свойства. Использование ОМН в качестве наполнителей в композициях на основе реактопластов снижает время отверждения в 6... 10 раз, повышает теплостойкость до 200 °С.

Используют ОМН и для изготовления лакокрасочных покрытий с хорошими декоративными свойствами, повышенными физико-механическими характеристиками и более высокой эксплуатационной долговечностью.

Введение ОМН в клеевые композиции на основе эпоксидных смол позволяет повысить прочность при отрыве в 1,5. .2 раза при склеивании титанового сплава и на 10...15% при склеивании стали. Время отверждения клеевой композиции снижается с 24 до 4 ч. Предельное содержание порошка стеклопластика в клее не должно превышать 33 %.

Таким образом, основные виды полимеров, используемых при серийном изготовлении автомобилей, являются термопластами. Они способны к многократной переработке и являются ценным вторичным сырьем, практически не уступающим по своим характеристикам первичным материалам.

Для их эффективного использования необходим раздельный сбор утилизируемых деталей и строгое разделение их по видам пластиков. Для облегчения идентификации и раздельного сбора полимеров заводы-производители указывают на деталях вид использованного сырья.

Наиболее рациональным способом обращения с утилизируемыми пластмассовыми деталями автомобилей является их применение в измельченном виде в составе полимерных композиций того же состава для производства аналогичных деталей.

Размещено на Allbest.ru