УПАКОВКАИССЛЕДОВАНИЯРАЗВИТИЕ

СВОЙСТВА БИОРАЗЛАГАЕМЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ И ОТХОДОВ АГРАРНО ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

АНАНЬЕВ В.В., КИРШ И.А.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ ИМ. ИВАНА ФЕДОРОВА
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ    
 

В настоящее время бытовые отходы, большую часть которых составляет полимерная упаковка, утилизируются преимущественно путем сжигания или захоронения, что негативно отражается на окружающей среде.
Проблема частично может быть решена за счет создания биоразлагаемых полимерных материалов.

В.В. Ананьев, к.т.н., профессор И.А. Кирш, к.т.н., доцент

 
Их можно получать несколькими способами:

  • синтезом полимеров с помощью микроорганизмов;
  • химическим синтезом;
  • разработкой биоразлагаемых композиций на основе ингредиентов природного, в основном растительного, происхождения и синтетических полимеров [1, 2].

 Рис. 1. Внешний вид лабораторного экструдера для получения полимерных композиций.

Рис. 2. Изменение разрушающего напряжения σр от содержания наполнителя  (С, %) в полимерной композиции на основе отходов полиэтиленовой упаковки.

Рис. 3. Изменение относительного удлинения при разрыве εр от содержания наполнителя (С, %) в полимерной композиции (С, %) на основе отходов полиэтиленовой упаковки.

 

Рис. 4. Изменение разрушающего напряжения σр от содержания наполнителя (С, %) в полимерной композиции на основе полипропиленовой упаковки.

Рис. 5. Изменение относительного удлинения при разрыве εр от содержания наполнителя (С, %) в полимерной композиции (С, %) на основе отходов полипропиленовой упаковки.

Рис. 6. Схема проведения испытаний в биореакторе.рычажной установки с переменным плечом для испытания полимеров: 1 — биореактор с биогумусом;
2 — образец полимерного материала, закрепленный в зажимах; 3, 7 — гибкая тяга; 
4 — блок; 5 — ось; 6 — рычаг фигурного профиля (улитка); 8 — груз.

Рис. 7. Изменение времени начала биоразложения от количества наполнителя (С, %) в полимерной композиции на основе отходов
полиэтилена.

Рис. 8. Изменение времени начала биоразложения от количества
наполнителя (С, %) в полимерной композиции на основе отходов
полипропилена
.

В последнем случае обычно используют полимеры, наполненные биоразлагаемыми наполнителями. Их относят к частично разлагаемым материалам. Попадая в окружающую среду, они подвергаются воздействию воды, ультрафиолетового света, кислорода и бактерий. В этом случае наполнитель полностью ассимилируется, а полимер разрушается, при этом время разложения полимеров обычно сокращается [1].

Интерес представляют полимеры с наполнителями природного происхождения: крахмалом, целлюлозой, отходами пищевых и сельскохозяйственных производств и т.п.. Возможно использование природных полисахаридов [2-5].
Современные технологические процессы производства в агропромышленном комплексе (АПК)

страны большей частью сопровождаются образованием отходов. Их общий объем ежегодно составляет около 3 млрд тонн. Основная часть (около 70%) используется в сельском хозяйстве,  в основном направляется на корм скоту. Оставшаяся часть отходов утилизируется на полигонах и свалках, что также приводит к загрязнению окружающей среды и потере потенциально ценного сырья.

Целесообразно использовать эти отходы в качестве наполнителя для биоразрушаемых композиций.
Создание таких композиций дает перспективный путь для комплексной утилизации использованной упаковки и отходов АПК. Отходы АПК содержат крахмал, белки, углеводы, клетчатку, лигнин, жиры и т.д., что должно благоприятно отразиться на биоразлагаемости наполняемых ими полимерных композиций.

В качестве полимерных матриц были выбраны отходы, образующиеся при производстве упаковочной пленки, — полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП). В качестве наполнителя использовали отходы сахарного (свекловичный жом с разными качественными показателями), кондитерского (какаовелла), зернового (лузга гречневая, рисовая, подсолнечная, просяная), а также крахмало-паточного производства (мезга кукурузная и картофельная).

Содержание наполнителя в полимерной матрице варьировали в максимально широком интервале, при котором была возможна переработка и получение изделий из вторичного сырья на лабораторном экструзионном оборудовании.
Композиции получали на одношнековом экструдере с барьерным шнеком, обеспечивающим хорошее смесительное воздействие. Внешний вид лабораторного экструдера приведен на рис.1.

Были получены экспериментальные образцы с разной степенью наполнения отходами и определены их Физико-механические характеристики по ГОСТ 14236. Были получены следующие зависимости (рис. 2—5):

Как видно из графиков, даже небольшое количество наполнителя резко снижает физико-механические показатели полимерных композиций. Чем больше содержание отходов АПК в полимерной матрице, тем меньше разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве.

Были проведены эксперименты по определению времени начала биоразложения экспресс-методом.
Суть метода состоит в том, что образцы композиций помещали в биореактор с магнитной мешалкой, в котором их подвергали одновременному воздействию агрессивной среды и механической нагрузки.

Схема установки приведена на рис. 6.
Нагрузку подбирали таким образом, чтобы обеспечить начальное напряжение, равное 30% от разрушающей нагрузки. Форма улитки обеспечивала постоянство напряжения в образце при его растяжении. В ходе экспериментов осуществляли непрерывный контроль линейных размеров образца с целью оценки динамики процесса разрушения.

Изменения линейных размеров и массы образца позволяют косвенно судить о процессе биоразложения наполненных полимерных композиций. За начало биоразложения принимали точку, при которой наблюдается изменение линейных размеров образцов на 5% или разрушение образца:

где Lопыт — длина образца по окончании эксперимента после выдержки в биогумусе; Lконтр  - длина контрольного образца по окончании эксперимента.

Результаты экспериментов для характерных композиций приведены на рис. 7 и 8.
Для изученных композиций характер кривых одинаков, а именно:
с увеличением содержания наполнителя время до начала биоразложения уменьшается. Для композиций на основе свекольного жома № 2, 3, гречневой и просяной лузги получены идентичные данные, которые находятся в пределах доверительного интервала.

Интересно, что отходы полиэтиленовой и полипропиленовой упаковки также характеризуются одинаковыми временами начала разложения.
Для создания качественного вторичного полимерного сырья и изделий из него основным критерием является величина разрушающего напряжения при одноосном растяжении (σр). По данным ранее проведенных исследований и результатам экспертной оценки, эта величина должна быть не менее 4 МПа.

При увеличении содержания наполнителей прочность всех композиций уменьшается, а при 30% наполнителя значения прочности для всех изученных композиций находятся ниже 4 МПа.

Анализ результатов проведенной экспериментальной работы позволяет выбрать отходы АПК и установить их содержание в полимерной матрице, обеспечивающей получение композиций с удовлетворительными механическими свойствами.

 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Овчинникова Г.П. Рециклинг вторичных полимеров: учеб. пособие / Г.П. Овчинникова,
С.А. Артеменко. - Саратов, 2000. - 321 с.
2. Бугоркова В.С. и др. // Пластические массы. - 1988. - № 4. - С. 40.
3. Бугоркова В.С. и др. Пути повышения эффективности использования вторичных полимерных
ресурсов // Материалы I Всесоюзной конференции. - Кишинев, 1985. - С. 101.
4. Ларионов В.Г. Саморазлагающиеся полимерные материалы / В.Г. Ларионов // Пластические массы. - 1993. - № 4. -С. 36-38.
5. Быстрова Г.А. Обезвоживание и утилизация отходов пластмасс / Г.А. Быстрова, В.М. Гальперин, В.Л. Титов. - Л.: Химия, 1982. - 234 с.
 

 

 Москваwww.packaging-rd.ru  2018 © Все права защищены.