Коновалова анна Юрьевна
Утилизация упаковки из полиэтилена с получением композиционных строительных материалов
Специальности: 29.04.03 Технология полиграфического и упаковочного производства
29.04.03 – Технологии производства и утилизации упаковки из полимерных материалов
Автореферат
диссертации на соискание степени
магистра техники и технологии
Работа выполнена на кафедре «Материалы и технологии» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Беляев Павел Серафимович |
| Рецензент: |
Защита диссертации состоится «» июня 2018г. в часов на заседании государственной аттестационной комиссии ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» по адресу:
392000 Тамбов, ул. Советская, д.116, к.324
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»
Автореферат подготовлен «19 » июня 2018г.
Секретарь государственной
аттестационной комиссии
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Проблема утилизации отходов упаковки из полиэтилена остается актуальной, несмотря на постоянное совершенствование технологий по её вторичной переработке.
На кафедре «Материалы и технологии» разработана технология, позволяющая перерабатывать отходы полимерной тары и упаковки, а так же отходов ЦСП и исключающая такие предварительные стадии подготовки отходов как измельчение и сушка отходов. Это позволит снизить энергетические затраты для получения вторично-переработанного материала, а соответственно и снизить себестоимость.
Цель диссертационной работы: Разработка нового композиционного строительного материала.
Для достижения цели диссертации были поставлены следующие задачи:
- литературный обзор и патентный поиск по теме магистерской диссертации;
- монтаж экспериментальной установки;
- проведение экспериментальных исследований по отработке оптимальных соотношения отходов упаковки из полиэтилена и отходов ЦСП на экспериментальной установке.
Объектом исследования является технологический процесс получения нового композиционного строительного материала на основе отходов упаковки из полиэтилена и отходов ЦСП.
Предметом исследования является отработка оптимального соотношения отходов упаковки из полиэтилена и отходов ЦСП на экспериментальной установке с получением нового композиционного строительного материала.
Научная новизна. Предложена технология и технологическое оборудование для изготовления нового композиционного строительного материала.
Практическая значимость диссертации. Разработана рецептура для изготовления нового композиционного строительного материала.
Получены графические зависимости плотности и водопоглощения от процентного содержания полиэтилена в композите.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены в сборнике статей магистрантов. Выпуск 13 Тамбов, 2008.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 работа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 21 наименования. Содержит 53 страницы основного текста, 10 рисунков, 5 таблиц.
Содержание работы
Во введении дано краткое содержание работы и показана актуальность решаемых в ней задач.
В первой главе проведен анализ современного состояния в области отходов полиэтилена.
Представлена технология переработки отходов полиэтилена.
Представлена классификация композиционных материалов.
Полиэтилен в качестве упаковочного материала имеет массу достоинств. Он достаточно прочен, легок, хорошо окрашивается, устойчив к различным атмосферным воздействиям. Однако некоторые его преимущества оборачиваются недостатками. Дело в том, что он очень стоек к воздействию бактерий и микроорганизмов. Достаточно сказать, что разложение полиэтилена в природной среде занимает более двухсот лет, и поэтому для того, чтобы не засорять им природу, требуется применять эффективные методы утилизации.
Наиболее простой способ утилизации полиэтиленовых отходов – это просто их сжечь. Однако при этом в атмосферу выделяется много различных токсичных веществ, что пагубно сказывается на окружающей природе. Поэтому в настоящее время все большее распространение получают другие методы утилизации, или, как сейчас модно говорить, рециклинга полиэтилена. Однако прежде чем утилизировать использованные полиэтиленовые пакеты, их нужно собрать, что в большинстве случаев означает просто выбрать из бытового мусора.
Вторая глава посвящается полиэтилену и возможным модификациям с ним.
Полиэтилен является высокомолекулярным соединением, состоящим из длинных цепей с ответвлениями различной длины. Его молекулярная масса колеблется от 20 тыс. до 3 млн. в зависимости от способа получения.
Химическая формула полиэтилена -(CH2CHR) n-
Структура молекулы полиэтилена показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структура молекулы полиэтилена
Степень разветвления и размер боковых цепей влияют на конечные свойства полиэтилена.
Полиэтилен производится двумя принципиальными способами (двух видов):
- полиэтилен низкой плотности (910 - 925 кг/м3) - LDPE, PE-LD (low density) изготавливается при высоком давлении. Поэтому его часто называют полиэтиленом высокого давления - ПЭВД.
- полиэтилен высокой плотности, также называемый полиэтиленом низкого давления - ПЭНД (941 - 965 кг/м3) - HDPE, PE-HD (high density). Он обладает принципиально более высокой прочностью и жесткостью, но несколько меньшей ударной вязкостью.
Методы модификации вторичного полиолефинового сырья можно разделить на химические и физические.
Все известные способы осуществления модификации полимеров целесообразно классифицировать по основным существенно значимым признакам, систематизирующим накопленный экспериментальный материал, один из вариантов которого представлен на рисунке 2.
Существуют следующие методы модификации ВПС:
1. Химическая модификация полимеров – изменение химического строения путём введения в макромолекулы функциональных групп иной химической природы, что может быть достигнуто путём химических превращений уже синтезированных макромолекул:
1) реакция полимера с низкомолекулярным полимером, не способным к полимеризации или поликонденсации;
2) реакции полимера с мономером, когда в ходе процесса генерируются растущие цепи, взаимодействующие с полимером с образованием разветвлённых или пространственно сетчатых структур;
3) взаимодействие полимера с высокомолекулярным модификатором.
2. Структурная модификация (физическая модификация) – направленное изменение физических (прежде всего механических) свойств полимеров, осуществляемое преобразованием их надмолекулярной структуры под влиянием физических воздействий, что сохраняет неизменным строение молекул:
1) модифицирование изменением условий получения твёрдого тела;
2) модифицирование введением малых количеств веществ иного строения (введение поверхностно-активных веществ, искусственных зародышеобразователей и др.)
Рисунок 2 - Классификация способов модификации полимеров
Различают следующие физические методы модификации полимерных материалов и изделий:
- термическое воздействие (термообработка, термомеханическая обработка, криогенная обработка);
- облучение (радиационная обработка, радиационно-термическая обработка, обработка СВЧ-, УФ- и ИК-облучением, лазерная обработка);
- вакуумно-компрессионная обработка (обработка давлением, механотермическое упрочнение, взрывное нагружение, обработка вакуумом, модификация при трении);
- периодическое деформирование (УЗ-обработка, вибрационная обработка);
- воздействие электромагнитных полей (электрическая обработка, электротермическая обработка, обработка в магнитных полях).
Вторая глава завершается постановкой задачи исследования, которая состоит в исследование процесса модификации вторичного полиэтилена высокого давления (ПЭВД) отходами цементно-стружечных плит (ЦСП).
В третьей главе рассматриваются объекты исследования, которыми являются мелкодисперсные опилки цементно-стружечных плит и отходы полиэтилена высокого давления.
Популярность и массовое потребление полиэтилена высокого давления приводят к тому, что ежедневно накапливается огромное количество отходов.
При производстве цементно-стружечные плиты (ЦСП), образуются отходы, которыми является древесно-цементный порошок. Эти отходы накапливаются в значительных количествах и создает большие проблемы для предприятий-производителей, так как хранение, перемещение и утилизация или складирование этих отходов требуют значительных материальных затрат и площадей.
Учитывая состав и дисперсность этих отходов можно предположить, что они могут послужить сырьем для производства строительных материалов. Предприятия-производители ЦСП используют около 20 % образовавшихся отходов в качестве компонентов для производства мелких блоков, однако качество получаемых изделий можно оценить как низкое.
Возможными областями применения отходов производства ЦСП могут быть композиционные строительные материалы, в частности, пригодные для изготовления теплоизоляционных изделий для ограждающих конструкций (стен, чердачных перекрытий); конструкционно-теплоизоляционных изделий (стеновые блоки, перегородочные блоки, заполнитель для каркасно-щитового домостроения); звукоизоляционных изделий (перегородочные блоки). Передовая фирма по ремонту квартир всегда следит за новыми эффективными строительными материалами и технологиями.
В качестве компонентов для создания строительных материалов предполагается использовать: портландцемент (вяжущее), отходы производства ЦСП, кварцевый песок (заполнитель), пластификатор, воду
В четвёртой главе описывается экспериментальная установка.
Экспериментальная установка на основе смесителя типа Брабендер для реализации процесса введения мелкодисперсных опилок цементно-стружечных плит в расплав полимера позволяет изменять в широком диапазоне режимные и конструктивные параметры.
Смеситель (рисунок 3) состоит из камеры смесительной 5, загрузочного устройства, станины с приводом 2, 3, 4 и электрооборудования 1. Смешение компонентов производится в камере, состоящей из собственно камеры смешения и сварного корпуса, на котором она закреплена двумя специальными
1 – шкаф управления; 2 – электродвигатель; 3 – муфта; 4 – фрикционные шестерни; 5 – смесительная камера; 6 – смесительные органы.
Рисунок 3 - Схема смесителя типа Брабендер
гайками. Смесительными органами являются два ротора 6 специального профиля, установленные в корпусе камеры консольно и вращающиеся навстречу друг другу. Опорами ротора являются передний подшипник скольжения и два задних подшипника качения. Вращение роторов производит мотор-редуктор 2, связанный муфтой 3 с валом приводного ротора; второй ротор получает вращение от приводного через зубчатую передачу 4 с передаточным отношением 1,5.
1 – роторы, 2 – смесительная камера, 3 – трубчатые электронагреватели, 4 – термопары, 5 – пластины теплоизолятора, 6 – рычаг, 7 – груз, 8 – щит управления, 9 – приборы для измерения и задания температуры.
Рисунок 4 - Схема камеры смесителя
Камера обогревается шестью трубчатыми электронагревателями 3 (рисунок 4), установленными снизу в вертикальные каналы камеры. Измерение температуры осуществляют два термосопротивления ТСП 4: одно контролирует температуру смеси, другое – температуру корпуса камеры. Задание и поддержание температуры осуществляется от термосопротивления, измеряющего температуру корпуса камеры. Сигналы от этих датчиков поступают на измеритель-регулятор 2ТРМ10-Щ1.У.Р.Р., который позволяет задавать и поддерживать в заданных пределах температуру камеры. Температура камеры измеряется прибором ТРМ1 9. На верхней плоскости камеры имеется отверстие 0,8 мм для установки при необходимости ртутного термометра. Для уменьшения теплоотдачи в окружающее пространство камера обложена пластинами фторопласта и стеклотекстолита 5.
Смесительная камера и мотор-редуктор закреплены на раме. Муфта закрыта кожухом. Приборы управления микросмесителем размещены на щите управления 9.
Для предотвращения выдавливания смешиваемых компонентов из камеры наружу служит загрузочное устройство, состоящее из рычага 6, оснащенного аркой, внедряющейся в загрузочное отверстие камеры под действием груза 7.
Щит управления 1 (рисунок 3) предназначен для управления электроприводом микросмесителя, а также нагревом и поддержанием температуры в рабочей зоне.
В пятой главе проводятся экспериментальные исследования и их анализ. Целью экспериментальной работы является исследования смешения вторичного полиэтилена с опилками цементно-стружечных плит разного соотношения, а так же влияния времени смешения на свойства получаемого композиционного материала.
Предварительно взвешивали полимер и наполнитель в нужном соотношении. Камера смесителя нагревалась до температуры T = 180ºС.
Подготовленные отходы и наполнитель загружали в рабочую камеру смесителя одновременно, где вращающиеся на малых оборотах рабочие органы под действием сдвиговых напряжений и сил адгезии затягивали их. Далее закрывали загрузочное отверстие камеры затвором и выводили частоту вращения рабочих органов до значения, соответствующего выбранному технологическому режиму n = 60 об/мин. Смешение происходило в течение 7,10 и 12 минут. После остановки рабочих органов, производили выгрузку полученной смеси. Из данной смеси с помощью пресса получили образцы определенных размеров. Далее все эксперименты проводились в соответствии с ГОСТом 26816-86
После остановки рабочих органов, производили выгрузку полученной смеси. Из данной смеси с помощью пресса получили образцы определенных размеров. Далее все эксперименты проводились в соответствии с ГОСТом 26816-86.
Шестая глава посвящена анализу экспериментальных результатов.
Проведенные экспериментальные исследования показали работоспособность данной технологии и возможность производства нового композиционного строительного материала.
Цель экспериментов заключалась в определении оптимального соотношения отходов упаковки из полиэтилена и отходов ЦСП.
На рисунках 5-6 представлены графики зависимостей плотности и водопоглощения от процентного содержания полиэтилена в композите.
Рисунок 5 - График зависимость плотности от процентного содержания полиэтилена в композите.
Рисунок 6 – График зависимость водопоглощения от процентного содержания полиэтилена в композите
Анализ графических зависимостей (рисунки 5-6) показывает, что оптимальным соотношением является 1:1 при времени смешивания 12 минут.
Таким образом, использование разработанной технологии позволяет использовать отходы полиэтилена и отходы ЦСП.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫИ ВЫВОДЫ
Актуальность исследования процесса создания нового композиционного строительного материала обусловлена высоким потреблением полиэтиленовой упаковки и большим количеством отходов при производстве цементно-стружечных плит.
1. Предложена технология производства нового композиционного строительного материала.
2. Найдено оптимальное соотношение компонентов нового композиционного строительного материала.
3. Проведены экспериментальные исследования, анализ которых показывает, что плотность и водопоглощение композиционного материала увеличивается при уменьшении содержания полиэтилена в композите, и уменьшается при увеличении времени смешения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
1. Получение композиционных строительных материалов на основе отходов ЦСП и вторичного полиэтилена/ Коновалова А.Ю., Макеев П.В. (статья). Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент, Тамбов, 2017