ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИЙ ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА С ПОЛИЭТИЛЕНОМ

RESEARCH OF TECHNOLOGICAL AND THERMAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITIONS OBTAINED ON THE BASIS OF POLYETHYLENE TEREPHTHALATE WASTE WITH POLYETHYLENE
Цитировать:
Мухиддинов Б.Ф., Негматов С.С., Тилавова Л.И. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИЙ ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА С ПОЛИЭТИЛЕНОМ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 11(92). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12664 (дата обращения: 03.03.2024).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты по исследованию технологических и термических характеристик композиций полученных на основе отходов полиэтилентерефталата и полиэтилена, таких как показателя текучести расплава, температуры плавления и теплостойкости по Вику. Дериватографическим методом изучены термические характеристики композиции полиэтилентерефталата с первичным и вторичным полиэтиленом. Определены его температура разложения, скорость разложения, количество энергии израсходованной для разложения полимерных композиций. Установлено, что композиции полиэтилентерефталата со вторичным полиэтиленом более термостабильны, чем композиции полиэтилен-терефталата с первичным полиэтиленом.

ABSTRACT

The article presents the results on the preparation of compositions based on waste polyethylene terephthalate and polyethylene and the study of their melt flow rate, melting point and heat resistance according to Vic. The thermal characteristics of the composition of polyethylene terephthalate with primary and secondary polyethylene were studied by the derivatographic method. Its decomposition temperature, decomposition rate, and the amount of energy consumed for the decomposition of polymer compositions were determined. It was found that the compositions of polyethylene terephthalate with secondary polyethylene are more thermostable than compositions of polyethylene terephthalate with primary polyethylene.

 

Ключевые слова: полиэтилен, полиэтилентерефталат, отходы, композиция, текучесть, расплав, температура плавления, теплостойкость, термостабильность разложения.

Keywords: polyethylene, polyethylene terephthalate, waste, composition, fluidity, melt, melting point, heat resistance.

 

Введение

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) нашёл широкое применение в химической промышленности для изготовления изделий различного назначения, в том числе волокон, плёнки и композиционных материалов. Объем его применения столь велик, что одной из важнейших проблем является утилизация отходов, возникающих при его переработке, и особенно, после эксплуатации изделий из него. Количество отходов при производстве и переработке волокна достигает 15%, а при изготовлении ПЭТФ пленки -40%, различных контейнеров для упаковки жидкости, порошков и пасты различного назначения-45% [1-5]. Отходы ПТЭФ делятся на технологические отходы и изношенные изделия. Технологические отходы возникает при производстве пленки и волокна. Они используется для получения композиционных материалов и изделий на его основе для снижения себестоимости изделий. Довольно широко для утилизации отходов ПЭТФ применяется экструдер [6].

Данная работа посвящена исследованию технологических и термических характеристик композиций, полученных на основе отходов полиэтилентерефталата с полиэтиленом.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования служил полиэтилентерефталат (ПЭТФ) в виде выбывших из употребления бутылок из под напитков, которые измельчали ножевой дробилкой. Размер ПЭТФ-хлопьев составил 5-10 мм, при этом его насыпная плотность равна 200-300 кг/м3. Использовали полиэтилен (первичный) марки ПЭВП I-1561, синтезированный в Шуртанском химическом комплексе.

Композиции ПЭТФ с ПЭ готовили в шнековом экструдере в интервале температур 160-2250С с оборотом шнека 31об/мин. С определенным соотношением ПТФЭ:ПЭ сперва механически смешивали, потом пропустили через шнековый экструдер. Полученную расплавленную смесь после охлаждения пропустили через гранулятор. Далее полученные гранулы при одинаковых условиях пропускали 3-4 раза через экструдер для равномерного распределения компонентов ПЭТФ:ПЭ.

Динамический термический анализ образцов проводили в воздушной среде на дериватографе «Labsys evo SETARAM ТГ ДТА ДСК+1600 » в интервале температур 20-700оС со скоростью нагрева 5 град/мин , навеска образцов  100 мг, инертное вещество - спектрально чистая окись алюминия.

Теплостойкость образцов по Вику определяли в виде таблеток, полученных прессованием порошка при Р=5∙107 Па. (ГОСТ 15063) (вариант-А). Показатель текучести расплава ПЭТФ и его композиций с ПЭ определяли при температуре 493К, диаметр капилляра 2∙10-3 м, нагрузка составляла 107 Па (ГОСТ 11645). Вязкость расплав полимерных композиций рассчитывали, исходя из полученных значений ПТР по методике [7].

Результаты и их обсуждение

Термопластичные полимерные материалы перерабатывают в изделия, в основном, в расплавленном состоянии. Характеристики расплава полимерных материалов оценивают по значению температуры плавления (Тпл.) и показателю текучести расплава (ПТР).

Под показателем текучести расплава понимают массу полимеров в граммах, выдавливаемую через капилляр стандартного вискозиметра при определенной температуре, давлении и пересчитанную на длительность течения 10 мин.

Нами проведены эксперименты для определения показателя текучести расплава в стандартных условиях, результаты которых проведены в табл.1.

Таблица 1.

Влияние содержания ПЭТФ на показатель текучести расплава (ПТР), вязкость расплава, температуру плавления (Тпл.) и теплостойкость по Вику вторичного полиэтилена

Показатели

ПЭ

Содержание ПЭТФ, масс. %

ПЭТФ

100

5

10

15

20

30

100

ПТР,

г/10 мин

11,0

10

9

7,6

6,5

4,9

3,9

Вязкость

расплава

Па∙С∙10-3

9200

9914,4

11016,0

13045,3

15252,9

20223,5

36277

Тпл. , ºС

138

140

144

147

153

158

250

Теплостойкость

По Вику, ºС

81

83

85

86

88

89

92

 

Как показывают результаты исследования (табл.1), при добавлении в состав полиэтилена отходов полиэтилентерефталата, значение показателя текучести расплава незначительно снижается. Например, добавление 10 и 20 масс. % отходов (вторичного) ПЭТФ соответственно снижает ПТР от 9 г/10 мин до 6,5 г/10 мин. Значение исходных полимеров составляет ПЭ-11,0 /10мин а для ПЭТФ 3,9 г/10 мин.

Рассчитана эффективная вязкость расплава:

Где, G- нагрузка на поршень, Па;

ρ - плотность полимера, г/см3

М – показатель текучести расплава, г/10 мин.

По значению показателя текучести расплава видно, что с уменьшением значения ПТР вязкость расплава композиций возрастает. Это обусловлено уменьшением межмолекулярных взаимодействий в макромолекулах полимера.

Также нами определены температуры плавления исходных полимеров (ПЭ, ПЭТФ) и их композиций, результаты которых приведены в табл.1.

Результаты исследования показывают (табл.1), что с увеличением содер-жания ПЭТФ в составе ПЭ температура плавления ПЭ возрастает. Например, при содержании 10 и 20 масс. % ПЭТФ Тпл. полиэтилена равна 144 и 153ºС, соответственно.

Исследованы методом дериватографии термические характеристики  разработанных композиций на основе отходов полиэтилентерефталата и полиэтилена. На рис. 1 приведены результаты анализа динамических термо-гравиметрических кривых (ДТГА), термогравиметрических производных (ТГП) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) композиции полиэтилентерефталата с первичным и вторичным полиэтиленом.

 

Рисунок 1.Дериватограмма композиций полиэтилентерефталат со вторичным полиэтиленом ПЭТФ:ПЭвтор. 50:50 (1-кривая ДТГА; 2-кривая ТГП; 3-кривая ДСК; 4- кривая (линия) температура)

 

Анализ результатов исследования кривых ДТГА рис.1 показывает, что кривая состоит, в основном, из двух сигмоидов, которые в процессе происходят в две стадии. Первая стадия происходит в интервале температур от 350оС до 500оС, при этом потеря массы составляет 88,34 % . Вторая стадия происходит в интервале температур от 500оС до 560оС, при этом потеря массы составляет 90,45 %.

Сравнения  результатов исследования показывают, что введение в состав ПЭТФ полиэтилена термостабильность композиции изменяется экстремально. Например, у композиций полиэтилентерефталата  содержащие 10; 30; 50; 70 и 90 масс.% полиэтилена, термостабильность композиции с увеличением содержания последнего при 500 0С составляет 66,51; 85,10; 95,18; 88,34 и 89,54 масс.%, соответственно. Из анализа результатов исследования, видно что сначала термостабильность композиции снижается до ПЭТФ:ПЭ 50:50 95,18 масс.%, а потом возрастает. Это, по-видимому, обусловлено тем, что с увеличением содержания полиэтилентерефталата, приводящего к снижению термостабильности композиции, связанного интенсифицирующим действием продуктов разложения полиэтилентерефталата терморазложению композиции.

Анализ кривых результатов исследования ТГП от состава содержащих ПЭТФ:ПЭ (рис.1) показывает, что кривая состоят из двух пиков, которые в процессе происходят, в основном, в двух температурных интервалах разных скоростях деструкции полимера. Первый пик появляется в интервале 400-450 оС с большой скоростью-5,534 мг/мин, а второй пик появляется в интервале 475-6600С с меньшей скоростью -0,649 мг/мин.

Анализ скорости разложения исходного полимера (ПЭТФ и ПЭ) и композиции на их основе показывает (рис.1) что скорость разложения протекает в интервалах температур от 50 0С до 7000С со скоростью 0,027–5,643 мг/мин. Из результатов исследования видно, что скорость разложения, в основном, протекает с большой скоростью в области от 400 0С до 500 0С.

Впервые исследованы дифференциальной сканирующей калориметрией композиции полиэтилентерефталата со вторичными полиэтилена, результаты которых приведены в табл.2. Анализ результатов исследования (табл.2)  показывает, что у исходных полимеров  ПЭТФ и ПЭ и композиции на их основе количество израсходованной энергии (µV∙s/mg) для разложения полимеров изменяется экстремально. Например для композиции полиэтилентерефталата, содержащих 10; 30; 50; 70 и 90 масс.% полиэтилена количество израсходованной энергии для разложения полимерных композиций с увеличением содержания последнего при 300 0С составляют 8,68; 8,11; 8,27; 8,07 и 7,07 µV∙s/mg , соответственно.

Таблица 2.

Результаты  анализа кривых ДСK композиции  полиэтилентерефталата со вторичными полиэтилена

Темпе-ратура,оС

Количество израсходованной энергии (µV∙s/mg)

 

ПЭ (исх)

ПЭТФ:

ПЭ

10:90

ПЭТФ:

ПЭ

30:70

ПЭТФ:

ПЭ

 50:50

ПЭТФ:

ПЭ

70:30

ПЭТФ:ПЭ 90:10

 

ПЭТФ

(исх)

1

50

1,25

1,45

1,25

1,32

1,45

1,23

1,85

2

100

3,81

2,98

2,81

2,71

2,91

2,51

2,68

3

150

2,18

4,22

4,18

4,00

4,09

4,15

4,62

4

200

2,09

5,36

5,08

5,32

5,54

5,46

2,36

5

250

4,95

6,45

6,93

6,88

6,45

5,93

3,45

6

300

4,19

8,68

8,11

8,27

8,07

7,07

5,68

7

350

3,79

4,41

4,78

4,69

4,70

3,70

6,81

8

400

4,57

4,68

4,56

4,32

4,42

3,32

3,68

9

450

3,18

5,88

5,18

5,54

5,92

5,32

5,05

10

500

2,23

4,22

4,23

4,52

4,72

4,45

2,22

11

550

3,54

3,98

3,11

3,89

3,48

3,35

1,98

12

600

2,15

3,32

3,15

3,25

3,19

2,36

1,02

13

650

3,98

3,45

3,26

3,29

3,28

3,24

2,45

14

700

2,23

3,78

3,23

3,36

3,29

 

1,78

 

Сравнение табличных значений, количества израсходованной энергии для разложения композиций полимеров (табл.2), показывает что большая энергия затрачивается, в основном, в интервале температур 200-5500С, которые  составляют 5,05-3,11 µV∙s/mg , соответственно.

Также исследованы кривые ДСК исходного ПЭ и композиций  ПЭТФ с полиэтиленом. Анализ кривой ДСК исходного ПЭ (рис.2)  показывает, что она состоит из четырех эндотермических и трёх экзотермических пиков. Первый пик эндоэффект при 125 0С относится к плавлению кристаллических участков макромолекул ПЭ, а эндоэффекты при температурах 339 0С, 4480С и 462 0С, это, по видимому, относятся к термоокислительной деструкции с разрывом слабых углерод-углеродных связей, а эндотермический  пик при 4620С может быть связан деполимеризацией полиэтилена с образованием этилена. А экзотермические пики при температурах 237 0С, 390 0С и 504 0С обусловлены термоокислительной деструкцией полимера.

 

Рисунок 2.Кривые ДСК исходного вторичного полиэтилена (1) и композиций полиэтилентерефталата со вторичным полиэтиленом ПЭТФ:ПЭ (2)

 

Из анализа кривой ДСК композиции ПЭТФ с ПЭ (рис.2) видно, что кривая состоит в основном их трёх эндотермических и трёх экзотермических пиков. Первый и второй пик при температурах 130 0С и 252 0С относится к плавлению кристаллических участков ПЭ и ПЭТФ, соответственно. А экзотермические пики при температурах 236 0С, 3940С и 4130С характерны для термоокислительной деструкции полимерной композиции.

Для сравнения термостабильности композиции полиэтилентерефталата с первичными и вторичными полиэтилена, исследован динамический термогравиметричесий анализ композиции, результаты которых приведены в табл.3.

Таблица 4.

Сравнительные данные результатов динамического  термогравиметри-ческого анализа композиции полиэтилентерефталата с первичными и вторичными полиэтиленами

 

Образец

 

Температура разложения, оС

Потеря массы при определенной температуре, %

Т0

Т10

Т20

Т50(ipdt)

B400

B600

ПЭТФ (исх.)

315

344

378

392

20,8

97,8

ПЭ (перв.) исх.

376

415

438

477

7,96

84,65

ПЭТФ:ПЭ(перв) 10:90

355

408

430

472

7,45

80,75

ПЭТФ: ПЭ(перв) 30:70

349

405

419

431

7,68

89,16

ПЭТФ: ПЭ(перв) 50:50

346

398

409

423

11,6

89,76

ПЭТФ: ПЭ(перв) 70:30

342

365

389

415

27,6

86,96

ПЭТФ: ПЭ(перв) 90:10

340

365

397

412

15,6

92,16

ПЭ (втор.)исх.

389

419

444

480

6,98

88,59

ПЭТФ:ПЭ(втор)

10:90

365

415

437

478

6,95

79,75

ПЭТФ: ПЭ (втор)30:70

356

409

427

438

6,78

87,16

ПЭТФ: ПЭ(втор) 50:50

351

405

415

429

10,6

87,76

ПЭТФ: ПЭ(втор)) 70:30

344

371

394

421

25,6

82,96

ПЭТФ: ПЭ(втор) 90:10

343

370

401

418

14,6

86,16

 

Анализ результатов исследования показывает (табл.3), что вторичный полиэтилен термостабилен, чем первичный полиэтилен. Например, для исходного первичного ПЭ температура начала разложения составляет 3760С, а этот показатель вторичного ПЭ соответствует 389оС. Это обусловлено, по видимому тем, что в процессе переработки и получения изделий из ПЭ непосредственно добавляются светостабилизаторы, которые повышают термостабильность, а также в процессе эксплуатации образуются сетчатые трёхмерные структуры полимера, кроме того идёт уменьшение количества концевых групп, также способствующие повышению термостабильности.

Заключение

Таким образом, исследованы технологические свойства-показатель текучести расплава (ПТР), температуры плавления (Тпл.) и теплостойкости по Вику композиций полиэтилена с полиэтилентерефталатом. Установлено, что с увеличением содержания ПЭТФ значение ПТР снижается, Тпл. и теплостойкость по Вику  закономерно возрастает.

Исследованы термические характеристики композиции полиэтилен-терефталата с первичным и вторичным полиэтиленом дериватографическим методом. Определены их температура разложения, скорость разложения,  количество израсходованной энергии для разложения полимеров и  поли-мерных композиций. Впервые установлено, что композиции полиэтилен-терефталата со вторичным полиэтиленом более термостабильны, чем композиции полиэтилентерефталата с первичным полиэтиленом.

 

Список литературы:

  1. Левин В.С., Коростелев В.И. Вторичное использование полимерных материалов. //Химия., 1985. –С 81-96.
  2. Рубянетс Н.М. Технология переработки отходов производства ПЭТ в полиэфирные смолы. 22-26 апр. 1996. -.109
  3. Лисенко А.М., Негматов С.С., Салимсаков А.Ю. О проблемах разработки технологии переработки бытовых отходов. // Композиционные материалы. 2016. №1. –С.81
  4. Коростелев В.И., Левин В.С. Производства и переработка пластмасс и синтетических смол. //Научно-исследовательский институт технико-экономических исследований химического комплекса.1969.№2.-С.16-18
  5. Вилнус  С.А., Вапна Ю.М. Новое в технологии порошковых полимерных материалов и покрытий.//Ленинград, Ленинградский дом научно-технической пропаганды. 1969, №2. –С.16-18.
  6. Nagase Yoshiyuku et al. // Kobe Seiko giho-Kobe Steel Eng. Repts., 1997, 47, No.3, pp. 43-46.
  7. Энциклопедия полимеров //  III том, Москва, 1977,  стр.111.
Информация об авторах

д-р. хим. наук, профессор кафедры “Химическая технология”, Навоийский государственный горно-технологический университет, Республика Узбекистан, г. Навои

Doctor of Chemical Sciences, Professor of the Department of Chemical Technology, Navoi State Mining and Technology University, Republic of Uzbekistan, Navoi

академик АН РУз, д-р. техн. наук, профессор, научный руководитель ГУП «Фан ва тараккиёт» (Наука и прогресс) Заслуженный деятель науки Республики Узбекистан, Академик Международной Академии Высший школы, почетный доктор наук института Механики Металлополимерных систем НАН Белоруссии, Узбекистан, г. Ташкент

Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Doctor of Technical Sciences, Professor, Scientific Director of the State Unitary Enterprise "Fan va Tarakkiyot" (Science and Progress) Honored Scientist of the Republic of Uzbekistan, Academician of the International Academy of Higher School, Honorary Doctor of Sciences of the Institute of Mechanics of Metal-Polymer Systems of the National Academy of Sciences Belarus, Uzbekistan, Tashkent

базовый докторант ГУП “Фан ва тараққиёт”, Ташкентского государственного технического университета, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Researcher for State Unitary Enterprise "Fan va taraqqiyot", Tashkent State Technical University, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top