Технология модификации вторичного полиэтилентерефталата в экструзионных процессах получения изделий с улучшенным комплексом свойств Веселова Екатерина Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы. Большой объем использования полимерных материалов в качестве тары и упаковки приводит к катастрофическому накоплению бытовых отходов (более 4 млн. тонн в год), значительную долю среди которых (более 20%) занимает пластиковая тара из полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

Повторное использование бывших в употреблении полимерных материалов
(ПМ), прошедших предварительную обработку (сортировка, отмывка,

измельчение), при использовании механического рециклинга является самым
простым и достаточно экономичным способом расширения источников сырья из
полимерных отходов и решения экологических проблем. Однако при переработке
вторичного полиэтилентерефталата (ВПЭТФ) c исходной повышенной

влажностью (_в 0,02 масс.%) на стандартном технологическом оборудовании в результате процессов гидролитической, термической и термоокислительной деструкции, происходит снижение молекулярной массы (ММ), вязкости расплава и, как следствие, физико-механических характеристик полимера, что не позволяет получать изделия с комплексом требуемых свойств.

Анализ научно-технической литературы и патентной информации показал,
что данная технологическая задача принципиально может быть решена путем
направленной химической модификацией ВПЭТФ по удлинению полимерной
цепи, а также его термостабилизации в результате введения

многофункциональных добавок различной природы.

Таким образом, представленная работа, посвященная разработке технологии химической модификации структуры и свойств ВПЭТФ с _в 0,02 масс.% в непрерывном экструзионном процессе на стандартном технологическом оборудовании для переработки, является актуальной и позволяет существенно расширить сырьевую базу вторичных материалов.

Целью работы является разработка непрерывной экструзионной
технологии получения нового полимерного материала на основе ВПЭТФ с
исходной повышенной влажностью путем направленной химической

модификации и термостабилизации и изделий с улучшенными комплексом свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Изучить влияние содержания влаги на изменение свойств ВПЭТФ в процессе экструзии на стандартном технологическом оборудовании при различных режимах переработки.

2. Оценить влияние вида и содержания модификаторов (удлинителей цепи и стабилизаторов) в непрерывном экструзионном процессе на молекулярные, реологические, теплофизические и физико-механические свойства ВПЭТФ.

3. Оптимизировать состав модифицирующей системы для повышения молекулярной массы и термостабилизации ВПЭТФ с повышенной влажностью в процессе экструзии, с целью получения полимерного материала с комплексом свойств на уровне первичного ПЭТФ (ППЭТФ).

4. Разработать и оптимизировать технологические параметры экструзионного процесса получения нового полимерного материала из ВПЭТФ с повышенной влажностью и его переработки в изделия различного назначения.

Работа выполнена в АО «Институт пластмасс» в рамках научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы «Модификация вторичного материала из утилизированной ПЭТ-тары с целью получения высокопрочных изделий методом экструзии, в том числе для производства георешёток» (ГК №8/3 – 289н – 09 от 17 августа 2009 г.).

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Установлен механизм действия компонентов модифицирующей системы оптимального состава и предложены химические реакции взаимодействия удлинителя цепи класса бисоксазолинов с концевыми карбоксильными группами ВПЭТФ в присутствии фосфитного термостабилизатора и влаги.

6. Показано, что эффективными модификаторами молекулярной массы ВПЭТФ с _в = 0,5 масс.% при экструзии являются фениленбисоксазолин,

концентрат пиромеллитового диангидрида и смесь термостабилизаторов стерически затрудненных дифосфита и фенола. Получены зависимости изменения молекулярно-массовых и реологических характеристиках ВПЭТФ от их содержания.

3. Оптимизирован состав модифицирующей системы для повышения молекулярной массы (фениленбисоксазолин) и термостабилизации (стерически затрудненный дифосфит) ВПЭТФ с повышенной влажностью в процессе экструзии. Установлено, что при оптимальном соотношении компонентов в смеси можно получить новый термостабильный полимерный материал на основе ВПЭТФ с молекулярными, реологическими и физико-механическими характеристиками на уровне первичного ПЭТФ.

Практическая значимость работы.

На основании проведенных исследований разработана технология и получен новый термостабильный ПМ на основе ВПЭТФ с _в = 0,5 масс.% методом экструзии с молекулярными (M_w = 48300, М_п = 20700, M_z = 80800, [rjj = 80 мл/г), реологическими (ПТР = 5 г/мин) и физико-механическими (_т = 58 МПа, _р = 32 МПа _р = 360 %, а_уд - н/р) характеристиками на уровне ППЭТФ.

В АО «Институт Пластмасс» по лабораторному технологическому регламенту ЛТР №12-2014 изготовлена и проведены испытания опытной партии нового ПМ на основе модифицированного и термостабилизированного ВПЭТФ (Приложение 1 - Акт и протокол испытания), на который разработаны ТУ № 2226-487-00209349-2010 «Полиэтилентерефталат вторичный экструзионный».

Предложено для повышения ММ ВПЭТФ с _в 0,5 масс.% в процессе экструзии удлинитель цепи - пиромеллитовый диангидрид вводить в форме концентрата, а термостабилизатор в виде смеси: стерически затрудненный дифосфит + стерически затрудненный фенол.

Оптимизированы параметры, разработана и на практике реализована технология изготовления из ВПЭТФ с в = 0,5 масс.% методом экструзии аморфной ленты ( 5%) с высокими деформационно-прочностными свойствами

(_т = 54 МПа, _р = 54 МПа, _р = 380 %) (Приложение 2 - Акт изготовления и испытания опытных партий лент).

Получен патент РФ № 2481952 от 27.12.2011 г. на «Способ получения полимерной ленты из вторичного полиэтилентерефталата».

Технологические параметры переработки ВПЭТФ в изделие использованы при разработке временного технологического регламента ВТР № 13-2014 на процесс получения «Георешетки бесшовной» (ТУ № 2291-491-00209349-2011), которая может быть использована для обустройства несминаемых газонов и экологических автостоянок, для закрепления грунтов и газонов, примыкающих к проезжей части дорог и тротуарам. Выпущена опытная партия изделий (Приложение 3).

Апробация работы. Результаты работы были доложены на 33-й ежегодной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (СЛАВПОЛИКОМ) (27 - 31 мая 2013 г., г. Гурзуф), V и VI всероссийских научных конференциях (с международным участием) «Физикохимия процессов переработки полимеров» (16 - 19 сентября 2013 г. и 2 – 7 октября 2016 г., г. Иваново), на научно-технической конференции «Полимерные материалы для эффективной экономики» (30 октября 2013 г., г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей, 5 из которых в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК, тезисы 4 докладов в сборниках материалов научно-технических конференций и получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах и содержит 26 таблиц, 67 рисунков, 25 схем и включает введение, литературный обзор научно-технической литературы (глава 1), объекты и методы исследования (глава 2) и главу 3, в которой изложены основные результаты и их обсуждение, выводы, список цитируемой литературы из 150 наименований и 4 приложений.