Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Получение и свойства полимеров. Учебное пособие
.pdf
7 ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ
7.1 Теоретическая часть
Рост с каждым годом полимерной продукции делает организацию
утилизации и вторичную переработку пластиковых отходов общемировой
проблемой. Вторичная переработка разнообразных полимерных отходов
является приоритетом и представляет собой промышленный процесс перевода использованных материалов в полимерное сырье, подходящее для
выпуска других изделий.
Вторичное полимерное сырье можно получать из промышленных и
коммунальных отходов.
Промышленные полимерные отходы формируются, как правило, на
предприятиях по производству и переработке полимеров, при этом вторичного полимерного сырья характеризуется высоким уровнем чистоты и
известным постоянным составом, что позволяет переработать его без значительных затрат непосредственно на самом предприятии, включив рецик-
линг в технологическую линию. Промышленное вторичное полимерное
сырье на основе термопластов (полиэтилена, полипропилена, полистирола,
поливинилхлорида, полиэтилентерефталата) не требует специальной технологической линии и используется на основном оборудовании предприятия по переработке полимеров. Такие промышленные полимерные отходы
перерабатываются практически полностью.
Промышленные отходы на основе реактопластов и некоторых композиционных материалов переплавить нельзя, поэтому их измельчают,
фракционируют и передают на предприятия других отраслей, например,
для использования в качестве наполнителя. Все это усложняет и удорожает
переработку, что уменьшает долю сырья, подвергшуюся рециклингу.
В твердых коммунальных отходах доля полимерного составляющего
увеличивается ежегодно, представляя собой разнообразные полимерные
изделия, вышедшие из употребления и использованную тару, упаковку.
Выделение из ТКО полимерных компонентов требует значительных затрат, кроме этого получение вторичного полимерного сырья затрудняется
из-за загрязнения и неоднородности состава отходов. Поэтому получение
сырья из ТКО путем механического рециклинга включает следующие технологические операции:
Сортировку мусора по типу полимера, цвету, размерам. Выделя-
ют первичную грубую сортировку и итоговую, включающую
удаление металлических включений и разделение типов полимеров. Для автоматизации сортировки используют ряд методов, основанных на разделении материалов по плотности, смачиваемости, растворимости, магнитных и электростатическим свойствам.
91
Для повышения качества сортировки материалов введена маркировка для рециклинга, содержащая название полимера или его
смеси с другими материалами (бумагой, металлом).
В технологиях рециклинга могут присутствовать стадии разделения смесей полимеров, основанные на уже указанных свойствах
вещества, например, отделение полимера пробки от полимера бутылки. Данные стадии могут реализовываться после измельчения
и мойки полимерных отходов.
Измельчение (дробление) отработанного изделия с последую-
щим фракционированием. В зависимости от применяемой в
дальнейшем технологии переработки получают хлопья (дробленку) с размерами частиц от 10 до 0,5мм. Минимальные размеры хлопьев обеспечивает криогенный способ измельчения
полимерных материалов.
Мойка и сушка исходных изделий и измельченного материала
проводится в моечных автоматах со специальными моющими
средствами. Первичная сушка (остаточная влажность порядка десяти процентов) реализуется с помощью центрифугирования.
Итоговая сушка (остаточная влажность порядка десятых долей
процента) реализуется в термокамерах. Дробление, помыв и
сушка могут комбинироваться в технологиях различным способом и повторяться несколько раз.
Грануляция измельченного сырья является необязательной ста-
дией, но позволяет увеличить его стоимость и повысить качество изделия из вторично переработанного сырья. При грануляции исходные хлопья плавятся, что обеспечивает гомогенизацию, дающую выравнивание характеристик сырья. На этой стадии возможно внесение добавок (пластификаторов, стабилизаторов, красителей и других) для регулировки свойств материала
под требования конкретного производства новых изделий и материалов. Грануляция, как правило, повышает насыпную плотность получаемого сырья.
Кроме механического измельчения получение вторичного полимерного сырья может содержать стадии химического рециклинга, заключающиеся в химической деструкции или деполимеризации отходов. Данные
процессы приводят к получению мономеров или олигомеров, которые могут быть использованы в качестве нефтехимического сырья для новых
синтезов или топливных элементов. Химическое преобразование полимерных отходов реализуется с помощью каталитического крекинга, висбрекинга, гидрокрекинга, пиролиза и других. Например, пиролизный процесс
разложения полимерных веществ реализуется при недостатке кислорода и
высокой температуре при этом возможно образование разнообразных ор-
92
ганических продуктов (газообразных, жидких и твердых). Использование
продуктов пиролиза возможно в получении топлива и теплоносителей, масел, смазок, технологических эмульсий, пропиточных составов и покрытий
для гидрофобизации. Таким образом, пиролиз полимерных материалов
может обеспечивать получение топлива и вторичного сырья для разных
сфер производства и коммунального хозяйства.
Реализация данных процессов требует больших капитальных вложений, зато может приводить к получению исходного нефтехимического сырья,
в том числе, пригодного для синтеза промышленных марок полимеров.
В настоящее время наиболее проработаны технологии рециклинга
полиолефинов (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и другие).
Из-за ограничений областей использования таких изделий, вторичные полимерные материалы целесообразно использовать для изготовления
изделий строительного назначения.
Таким образом, использование вторичного сырья в качестве новой
ресурсной базы – основа многих разработок специалистов строительного
материаловедения.
Из полиолефинов отдельного вида или смеси полимеров изготавливают элементы ограждения и перегородок, вытяжные трубы, облицовку дренажных каналов, безнапорные трубы, теплоизоляционные и звукопоглощающие пенопласты, кровельные материалы, геотекстиль и другие. Например,
вторичное полимерное сырье, полученное из тары ПЭТ (полиэтилентерефталат), может быть использовано для получения волокон (полиэфирный текстиль), формования пленок, лент, листов, изготовления конструкционных составов для электротехники, приборостроения, строительства.
В настоящее время наиболее часто используются технологии:
o добавления измельченного вторичного сырья к первичному в ко-
личестве 10–30%,
o введения для улучшения свойств в полимерную композицию вто-
ричного сырья комплексных добавок (пластификаторов, стабилизаторов,
наполнителей);
o химической модификации вторичных полимеров;
o использования измельченных фракций в качестве наполнителя.
Данные мероприятия позволяют еще шире использовать полимеры, бывшие в употреблении. Специфика и возможности вторичной переработки конкретного полимерного материала, чистота и гомогенность
состава, уровень деструкции, экономическая эффективность рециклинга
накладывают некоторые ограничения, которые преодолеваются путем
подбора соответствующий технологии.
Для преодоления проблем утилизации полимеров, в настоящее
время, специалистами разрабатываются биоразлагаемые полимеры. В
основе процесса биоразложения лежат химические реакции окисления и
гидролиза, стимулируемые или осуществляемые микроорганизмами.
93
Разложение полимеров, получаемых в результате реакции конденсации
(полиэфиры, полиамиды и т.д.), происходит посредством гидролиза, в то
время как полимеры, главная полимерная цепь которых составлена
только из атомов углерода (например, поливиниловый спирт, лигнин),
разлагаются в результате реакций окисления, за которыми могут следовать реакции гидролиза продуктов окисления.
Самым востребованным биополимером при этом останется полилактид (PLA – Poly Lactide), представляющий собой продукт полимеризации молочной кислоты. При этом для производства изделий из PLA
используется то же оборудование и технологии, что и при переработке
традиционных нефтехимических полимеров. Таким образом, перепрофилирование отдельных производственных участков нефтехимического
предприятия под получение полилактида не требует существенных инвестиций, но даже в этом случае из-за сохраняемой высокой стоимости
и ограниченности свойств, применение биоразлагаемых полимеров в
строительстве пока не актуально.
7.2 Контрольные вопросы
1. Дайте определение вторичной переработки полимеров (рециклингу).
2. Источники сырья для рециклинга.
3. Приведите классификацию полимеров, с точки зрения возможно-
сти вторичной переработки.
4. Какие стадии может содержать вторичная переработка полимеров?
5. Маркировка полимерных изделий для эффективной организации
сортировки.
6. Механический рециклинг. Области применения.
7. Химический рециклинг. Возможности и ограничения применения.
8. Перспективы развития полимерной отрасли с целью повышения
экологичности отходов.
94
8 ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Для проверки усвоения раздела «Химия ВМС», пройдите тест
1. Молекулярная масса высокомолекулярного соединения
а) является среднестатистической величиной
б) имеет определённое значение
в) определяется массой мономеров.
2. Средняя молекулярная масса полимера
а) является однозначно характеристикой свойств полимера
б) не может однозначно характеризовать свойства полимера
в) величина, не дающая никакой характеристики свойствам по-
лимера.
3. Полидисперсность полимера
а) количественная характеристика неоднородности полимера по
молекулярной массе
б) величина, отражающая состав полимера
в) мера неоднородности
4. Химический метод определения молекулярной массы
а) основан на определении концевых функциональных групп
б) основан на процессе термического разложения
в) является промежуточным в процессе определения
5. Полимер – это
а) высокомолекулярное соединение
б) соединение с уникальными свойствами
в) соединение с большой молекулярной массой
6. Полимеризация – это
а) пример реакции соединения
б) реакция образования высокомолекулярного соединения
в) реакция, протекающая с образованием побочных продуктов
7. Поликонденсация – это
а) реакция соединения мономеров за счёт разрыва кратных связей
б) процесс, протекающий с образованием циклических соединений
в) реакция взаимодействия мономеров, содержащих функцио-
нальные группы
8. В сополимеризации участвуют
а) одинаковые по составу мономеры
б) мономеры двух и более видов
в) соединения, содержащие функциональные группы
Вариант 1.
.
95
1. Степень полимеризации
а) определяется числом молекул мономера
б) составляет среднее число структурных звеньев в молекуле по-
лимера
в) зависит от массы исходных мономеров
2. Поликонденсация – это
а) один из способов получения полимеров
б) реакция с участием молекул, содержащих функциональные
группы
в) реакция, протекающая в несколько стадий
3. Аморфное состояние полимера характеризуется
а) отсутствием упорядоченности макромолекул
б) вязкостью
в) постоянством молекулярной массы
4. Свойство растворимости присуще
а) полимерам пространственного строения
б) разветвлённого строения
в) линейного строения
5. Нагревание сетчатых полимеров приводит к
а) размягчению, переходу в вязкотекучее и разложению
б) разложению, не сопровождающемуся вязкотекучим состоянием
в) превращению из твёрдого состояния в жидкое
6. Наибольшей прочностью обладают полимеры
а) линейной структуры
б) пространственного строения
в) полимеры с разветвлённым строением
7. Катализаторами для процесса катионной полимеризации могут быть
а) кислоты Льюиса
б) растворы щелочей
в) непредельные соединения
8. Для достижения высокой молекулярной массы в процессе гетеро-
поликонденсации требуется
а) эквимолярное соотношение мономеров
б) введение в реакционную среду стабилизаторов
в) обеспечить избыток бифункциональных мономеров
Вариант 2.
96
Вариант 3
1. Укажите группу атомов, являющуюся структурным звеном мак-
ромолекулы
а)
б)
в)
г)
2. Содержание углерода 67,9%, азота 26,4% и водорода 5,7% в про-
бе, взятой из образца полимера. Определите формулу структурного звена
этого полимера:
а)
г)
е)
3. В процессе катионной полимеризации активность ненасыщенных
мономеров увеличивается в ряду:
а) бутадиен, изопрен, стирол, изобутилен
б) стирол, изопрен, изобутилен, бутадиен
в) изобутилен, стирол, изопрен, бутадиен
4. В полимеризационной среде свободные радикалы могут возникать:
а) в результате теплового воздействия
б) под действием света
в) радиоактивного облучения
г) при интенсивном перемешивании
д) при добавлении инициаторов
Укажите неправильный вариант ответа.
5. Дайте название полимеру, исходя из структурной формулы эле-
ментарного звена:
а)
б)
в)
г)
д)
6. Для получения капрона (поли--капроамид) используют:
а)
б)
в)
г)
97
9 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Вариант 1.
деление.
2. Термопластичные полимеры.
3. Механизм радикальной полимеризации.
Вариант 2.
1. Степень полимеризации. Способы регулирования степени полиме-
ризации полимеров.
2. Термореактивные полимеры.
3. Механизм анионной полимеризации.
Вариант 3.
1. Понятие мономера и элементарного звена. Примеры мономеров,
вступающих в реакцию полимеризации.
2. Гибкость цепи полимера. Диффузия в полимерах.
3. Вязкотекучее состояние полимеров.
Вариант 4.
1. Понятие мономера и элементарного звена. Примеры мономеров,
вступающих в реакцию поликонденсации.
2. Растворимость полимеров.
3. Механизм катионной полимеризации.
Вариант 5.
1. Классификация полимеров по строению макромолекулы.
2. Структура растворов полимеров.
3. Сополимер. Классификация сополимеров.
Вариант 6.
1. Элементный состав полимеров. Его влияние на свойства мак-
ромолекул.
2. Стабильность растворов полимеров.
3. Высокоэластичное состояние полимеров.
Вариант 7.
1. Нерегулярные, регулярные и стереорегулярные полимеры.
2. Деформационные свойства полимеров. Упругая деформация.
3. Вязкотекучее состояние полимеров.
Вариант 8.
1. Классификация полимеров по молекулярной массе.
2. Деформационные свойства полимеров. Необратимая деформация.
Долговечность полимеров.
3. Фазовые переходы полимеров.
Вариант 9.
1. Номенклатура высокомолекулярных соединений.
2. Явление упругого гистерезиса.
3. Наличие в полимерах функциональных групп и их химическая ак-
тивность.
98
Вариант 10.
1. Межмолекулярные силы взаимодействия в полимерах.
2. Реологические свойства полимеров.
3. Особенности химических реакций полимеров.
Вариант 11.
1. Пластификация полимеров.
2. Течение полимеров.
3. Химические реакции полимеров. Реакции сшивания полимеров
(отверждение, вулканизация).
Вариант 12.
1. Основные отличия высокомолекулярных соединений от низкомо-
лекулярных.
2. Глубина процесса поликонденсации. Смещение равновесия в про-
цессе поликонденсации.
3. Полимераналогичные превращения.
Вариант 13.
1. Типы растворов полимеров.
2. Термореактивные полимеры.
3. Механическая деструкция полимеров.
Вариант 14.
1. Сополимер. Классификация сополимеров.
2. Термопластичные полимеры.
3. Фотохимическая деструкция полимеров.
Вариант 15.
1. Степень полимеризации. Способы регулирования степени полиме-
ризации полимеров.
2. Способы получения полимеров.
3. Термокислительная деструкция.
99
10 КЕЙС ЗАДАНИЕ
Для каждого типа полимеров подробно описать исходные мономеры,
тип реакции синтеза, механизм реакции и возможности управления процессом, возможные побочные процессы, разновидности получаемых полимеров и их характеристика (физические свойства, химическая устойчивость). Маркировка промышленных материалов данного полимера.
Направление использования марок полимера в производстве строительных
материалов.
Вариант 1. Полипропилен.
Вариант 2. Поливинилхлорид.
Вариант 3. Полиэтилен.
Вариант 4. Акрилаты. Полиметилметакрилат.
Вариант 5. Акрилаты. Полиакриламид. Полиакрилонитрил.
Вариант 6. Полиуретан.
Вариант 7. Кремнийорганические полимеры.
Вариант 8. Поликарбонат.
Вариант 9. Полистирол.
Вариант 10. Фенол-формальдегидные смолы.
Вариант 11. Эпоксидные смолы.
Вариант 12. Производные целлюлозы. Метилцеллюлоза.
Вариант 13. Полиэфиры.
Вариант 14. Полибутадиен. Полизопрен.
Вариант 15. Мочевино-формальдегидные смолы.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]