Жизнь после жизни

Использование вторичного сырья в качестве новой ресурсной базы — одно из наиболее динамично развивающихся направлений переработки полимерных материалов в мире. Для России оно является новым. Однако интерес к получению дешевых ресурсов, которыми являются вторичные полимеры, весьма ощутим, поэтому мировой опыт их вторичной переработки должен быть востребован.
      
     В странах, где охране окружающей среды придают большое значение, объемы переработки вторичных полимеров постоянно увеличиваются. Законодательство обязывает юридических и частных лиц выбрасывать полимерные отходы (гибкую упаковку, бутылки, стаканчики и т. д.) в специальные контейнеры для их последующей утилизации. Сегодня на повестку дня становится не только задача утилизации отходов полимерных материалов, но и восстановления ресурсной базы. Однако возможность использования полимерных отходов для повторного производства ограничивается их нестабильными и худшими по сравнению с исходными полимерами механическими свойствами. Конечная продукция с их использованием часто не удовлетворяет эстетическим критериям. Для некоторых видов продукции использование вторичного сырья вообще запрещено действующими санитарными или сертификационными нормами.
      
     Например, в ряде стран действует запрет на использование некоторых вторичных полимеров для производства пищевой упаковки.Сам процесс получения готовой продукции из вторичных пластиков связан с рядом трудностей. Повторное использование утилизируемых материалов требует особой перенастройки параметров технологического процесса в связи с тем, что вторичный материал изменяет свою вязкость, а также может содержать неполимерные включения. В некоторых случаях к готовой продукции предъявляются особые механические требования, которые просто невозможно соблюсти при использовании вторичных полимеров. Поэтому для использования вторичных полимеров необходимо достижение баланса между заданными свойствами конечного продукта и средними характеристиками вторичного материала. Основой для подобных разработок должна стать идея создания новых изделий из вторичных пластиков, а также частичной замены первичных материалов вторичными в традиционных изделиях. В последнее время процесс вытеснения первичных полимеров на производствах настолько интенсифицировался, что только в США производится более 1400 наименований изделий из вторичных пластмасс, которые раньше производились только с использованием первичного сырья.
      
     Таким образом, продукты вторичной переработки пластмасс могут использоваться для производства изделий, ранее производимых из первичных материалов. Например, возможно производство пластиковых бутылок из отходов, т. е. переработка по замкнутому циклу. Также вторичные полимеры пригодны для изготовления объектов, свойства которых могут быть хуже, чем у аналогов, изготовленных с использованием первичного сырья. Последнее решение носит название «каскадной» переработки отходов. Она с успехом применяется, например, компанией FIAT auto, которая перерабатывает бамперы отслуживших свой срок автомобилей в патрубки и коврики для новых машин.
      
     Проблемы и перспективы повторного использования пластиков мы рассмотрим на примере полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена, полипропилена и полистирола.

ПЭТ

ПЭТ обладает достаточно стабильными механическими свойствами. Поэтому вторичный материал на его основе достаточно легко поддается переработке. Основным сырьем для переработки служат столь распространенные пластиковые бутылки из-под напитков. Важно и то, что вторичный ПЭТ гомогенизируется легче, чем другие вторичные пластмассы. В развитых странах сбор ПЭТ-отходов в достаточной степени налажен, как и технология их переработки. Общемировой объем переработки вторичного ПЭТ достигает 1 млн т ежегодно.
      
     Процесс переработки ПЭТ-отходов не требует их пластификации. Они отсортировываются от других видов полимерной тары (на основе ПВХ или ПЭ), затем измельчаются, проходят мойку и очистку от этикеток, клеев, остатков пакуемых составов и прочих загрязнителей, а после этого агломерируются или гранулируются. Вторичным ПЭТ-полимерам при переработке свойственны те же проблемы, что и исходной ПЭТ-основе: низкий порог неньютоновского поведения (когда скорость сдвига сказывается на изменении вязкости полимера), чувствительность к нагреву и, наконец, необходимость просушки.
      
     Более того, в процессе сушки, и переработки вторичный материал претерпевает некоторую потерю вязкости, что вызвано не только температурными и деформирующими воздействиями в процессе пластикации полимера, но и присутствием загрязнителей (влаги, клея, красителей и т. д.). Эти факторы приводят к снижению молекулярной массы полимера. В таблице 1 приведены величины прочности (s) и относительного удлинения (e) при разрыве пленочных образцов из первичного ПЭТ и образцов переработки вторичного ПЭТ экструзией с предварительной сушкой и без сушки. Недостаточная сушка утилизируемой основы может значительно ухудшить свойства вторичного материала.
      
     Таблица 1
     Материал s, МПа e, %
     Первичный ПЭТ 41 370
     Вторичный ПЭТ с предварительной сушкой 38 280
     Вторичный ПЭТ без сушки 32 70
      
     Область их дальнейшего применения перерабатываемых ПЭТ-отходов определяют их молекулярные веса. Молекулярный вес ПЭТ рассчитывается исходя из его характеристической вязкости. В таблице 2 приведен диапазон ее значений для различных областей применения ПЭТ.
      
     Таблица 2. Вязкость ПЭТ  в зависимости от области применения
     Область применения Вязкость
     Намотка (волокно) 0,6–0,65
     Выдув (бутылка) 0,75–0,80
     Намотка (шинный корд) 0,35
     Melt-blown 0,35–0,8
     Экструзия (пленки) 0,5–0,8

Очевидно, что вторичные полимеры, лежащие в основе различных видов продукции и, соответственно, обладающие разными молекулярными весами (характеристической вязкостью), требуют совершенно разных технологий вторичной переработки. Вторичный ПЭТ не всегда может служить основой для повторного производства исходной продукции.
      
     Другая проблема переработки ПЭТ-отходов связана с вероятным присутствием в них ПВХ. Даже при тщательной сортировке ПЭТ-бутылок есть вероятность попадания ПВХ и ПЭ-примесей в состав вторичного материала. При температуре переработки ПЭТ ПВХ разлагается, выделяя соляную кислоту, которая вызывает интенсивную деструкцию полимера. Поэтому нужно максимально снизить присутствие ПВХ в составе ПЭТ-отходов. Допустимое содержание ПВХ не превышает 50 промилле.
      
     Чаще всего ПЭТ-отходы используются повторно для производства пластиковых бутылок, пленок и волокна. Реологические и механические свойства вторичного состава ПЭТ позволяют использовать при изготовлении емкостей для моющих средств, что делает его хорошей альтернативой ПВХ и ПЭВП. Вторичный ПЭТ также часто используется в качестве промежуточного слоя при производстве трехслойной аморфной пленки и выдуве трехслойных ламинированных бутылок с внешними слоями из первичного полимера.
      
     Применение соэкструзии смесей из переработанного вторичного и первичного ПЭТ позволяет улучшить реологические свойства вторичного полимера, сделав его более пригодным для выдува.Не менее важной областью применения вторичного ПЭТ является производство волокон. Процесс формования волокна требует от пластифицируемого вторичного полимера тех же реологических свойств (градиента скорости потока и неизотермального вытягивания), которыми обладает первичный полимер. Как правило, ПЭТ-волокно, формируемое из вторичной основы, имеет механические свойства, удовлетворяющие условиям производства широкой гаммы продуктов.
      
     Вторволокно перерабатывается в текстиль или тканые основы для производства одежды и ковровых покрытий. Эти приложения могут использовать до 100 % вторичного полимера. Чаще всего ПЭТ-волокно применяют в качестве синтетического утеплителя для зимней одежды либо готовой плисовой фактуры для ее пошива одежды.У ПЭТ-волокна есть ряд преимуществ перед другими синтетическими волокнами. Например, ковры из ПЭТ-волокна не теряют цвет и не требуют специальной химической обработки, необходимой коврам из нейлоновых волокон. ПЭТ-волокна и окрашиваются легче, чем нейлон.
      
     Волоконные полотна из ПЭТ, изготовленные по технологии melt-blown, применяются для производства шумоизолирующих материалов, геотекстиля, фильтрующих и абсорбирующих элементов, синтепона. Наконец, небольшой объем вторичного ПЭТ используется для изготовления автомобильных компонентов, электротехнических изделий, различной фурнитуры методом литья под давлением.

Полиэтилен

Из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и линейного полиэтилена (ЛПЭНП) изготавливаются пленки для бытовой упаковки (в том числе пластиковые пакеты, сумки и мешки) и для промышленной упаковки (например, мешки для сельхозудобрений), которые и являются сырьем для дальнейшей вторичной переработки. В первом случае переработка достаточно проста, т. к. качество вторматериала очень близко к качеству первичного полимера из-за короткого жизненного цикла продукта. Полимер подвергается воздействию внешних факторов на непродолжительный срок и претерпевает лишь незначительный распад структуры. В большей степени структура материала страдает в процессе его регенерации посредством пластификации. Другим источником неудовлетворительных свойств переработанного вторичного материала может служить использование отходов с разными молекулярными структурами (например, одновременно ПЭНП и ЛПЭНП), что непременно приводит к снижению механических свойств получаемого материала
      
     При вторичном использовании промышленной упаковки дело обстоит несколько сложнее. Как правило, пленка промышленного назначения имеет больший жизненный цикл, чем бытовая. Воздействие солнечных лучей, температурных колебаний и т. д. также оказывает пагубное воздействие на структуру полимера. Ко всему прочему, использованные промышленные полиэтиленовые пленки могут содержать значительные загрязнения в виде пыли и мелкодисперсных компонентов, которые практически невозможно удалить даже при самой тщательной мойке. Естественно, это негативно сказывается на свойствах вторичных материалов.
      
     Применение всех вторичных пластиков рассчитывается исходя из их усредненных свойств. В случае ПЭНП и ЛПЭНП можно с той или иной степенью уверенности утверждать, что полимерное сырье вторичных пленок этих типов может перерабатываться в тех же условиях (и примерно с теми же конечными свойствами), что и первичные пластики. В качестве примеров утилизации ПЭНП можно назвать повторное производство пленки для бытовой и торговой упаковки, пакетов для несыпучего мусора, а также садовой мульчирующей пленки. Свойства материала готовой продукции очень близки к свойствам первичной полимерной основы, однако количество циклов повторной переработки «продукта в продукт» ограничено из-за ухудшения свойств полимера в процессе многократно повторяющегося процесса плавления материала. На последнем цикле утилизируемая пленка годна лишь для производства садовой мульчирующей пленки, от которой требуются достаточно скромные механические свойства (нередко в нее добавляется обыкновенная сажа).
      
     Стретч-пленки имеют полимерные добавки, которые проявляют себя как загрязнители, требуя значительного добавления первичного сырья: вторичная стретч-пленка смешивается в низкой пропорции (15–25 %) с первичным полимером. При вторичной переработке пленки агропромышленного происхождения возникает ряд трудностей, вызванных не только ухудшением механических свойств полимерной основы и посторонними включениями, но и фотоокислительными процессами, снижающими оптические свойства материала. Получаемая вновь пленка приобретает желтый оттенок.
      
     В настоящее время наиболее перспективным направлением переработки отходов из ПЭНП и ЛПЭНП (да и из любых других полимеров) считается создание промежуточных материалов для замены традиционных материалов из дерева. Основное преимущество полимерного вторсырья над деревом — его биологическая стойкость: полимеры не подвергаются разрушению микроорганизмами и могут длительное время находиться в воде без угрозы для структуры. Для улучшения механических свойств в состав полимеров вводятся различные инертные добавки, например, пылевидная древесная стружка или волокна. Рынок такой продукции огромен. Компания US Plastic Lumber Corp. оценивает его в 10 млрд долл.
      
     Из полиэтилена высокой плотности изготавливаются, например, канистры для жидких продуктов. Процесс переработки ПЭВП-отходов требует специальной очистки вторпродуктов (например, емкостей для ГСМ). Кроме того, часто возникают проблемы, связанные с разрушением ПЭВП в процессе пластификации по причине сопровождающих процесс больших механических усилий. Область применения вторичного ПЭВП весьма широка и отличается многообразием технологических процессов. Он часто используется для производства пленки, емкостей самого разного объема, ирригационных труб, различных полуфабрикатов и т. д. Наибольшее применение вторичный ПЭВП нашел в производстве емкостей (канистр) методом выдувного формования. Реологические свойства вторично перерабатываемых полимеров высокой плотности не позволяют выдувать большие емкости, поэтому объем таких канистр ограничен. Типичная область использования канистр на основе ПЭВП-отходов — упаковка ГСМ и моющих средств.
      
     Канистры могут изготавливаться либо полностью на основе полимерных отходов, либо со экструзией с первичным гранулятом. В последнем случае слой вторполимера формирует сердцевину между двумя слоями первичного полимера. Канистры, полученные таким путем, используют для розлива моющих средств целый ряд компаний (Procter & Gamble, Unilever и т. д.).
      
     Другой пример массовой продукции из вторичного ПЭВП — ирригационные трубы. Как правило, они изготавливаются из смеси вторичного и первичного полимеров в разных соотношениях. Учитывая, что ирригационные трубы не предназначены для использования под давлением, механические свойства вторичного ПЭВП как нельзя лучше подходят для их производства. Высокую вязкость ПЭВП, полученного при переработке канистр и пленок, часто удается компенсировать низкой вязкостью первичного полимера, за счет чего можно улучшить ударопрочность. Производство труб с большим диаметром из вторичного ПЭВП — тоже не проблема: диаметр ирригационных и дренажных труб достигает 630 мм.При использовании технологии литья под давлением процентное содержание вторичного пластика ниже. Эта технология применяется для изготовления обшивочных панелей, коммунальных мусорных контейнеров и т. д. Рынок обшивочных панелей очень привлекателен благодаря своей большой емкости. Подсчитано, что один только рынок США потребляет 2 млрд единиц обшивочных панелей и досок, в качестве которых все еще используются традиционные пиломатериалы.
      
     Что касается производства пленки с повышенной стойкостью к ударным воздействиям и высокой прочностью на разрыв, то в этом случае вторичный ПЭВП может быть использован только с добавками ПЭНП и ЛПЭНП.

Полипропилен

Основным источником вторичного полипропилена являются пластиковые короба, корпуса аккумуляторных батарей, бамперы и другие пластиковые детали автомобилей. В меньшей степени вторичной переработке подвергаются упаковочные изделия из этого материала. Качество вторичного ПП зависит от условий, в которых находилось изделие в процессе эксплуатации. Чем меньше оно пострадало от внешних воздействий, тем ближе свойства вторичного материала к свойствам первичного. Однако условия эксплуатации редко бывают столь благоприятными. Лишь в редких случаях автомобильные пластиковые компоненты могут быть переработаны по замкнутому циклу: например, компания Renault при производстве модели Megane использует переработанные бамперы из ПП для изготовления новых. Как правило, вторичный ПП используется для производства других автомобильных деталей, к которым предъявляются менее жесткие требования, — вентиляционных патрубков, уплотнений, ковриков и т. д. Этот пример укладывается в классическую схему каскадной утилизации.
      
     Вторичный ПП также используется в различных смесях с первичным ПП или другими полиолефинами при литье под давлением (короба, корпуса) или экструзии (различные профили и полуфабрикаты).

Полистирол

Возможности вторичной переработки полистирольных отходов гораздо скромнее. Это объясняется меньшей диффузией по сравнению с другими пластиками и, самое главное, меньшей разницей в цене между исходным и вторичным сырьем. Кроме того, изделия из полистирола в процессе производства часто претерпевают значительную объемную вытяжку, что усложняет вторичную переработку и сказывается на общей себестоимости утилизации.
      
     Очень небольшая часть полистиролов, бывших в употреблении, перерабатывается в исходные продукты. Примерами повторного использования полистирольных отходов являются изоляционные панели, упаковочные материалы, утепляющая обшивка труб и другие изделия, в которых оптимальным образом могут быть использованы хорошие термоизоляционные, шумопоглощающие и ударопрочные свойства вторичного полистирола. В ряде случаев структура перерабатываемого полистирола уплотняется за счет использования специальных переходных технологий, и полученный таким образом материал используется в областях применения кристаллического полистирола. Наиболее интересное применение такого материала — производство профилей, ранее изготавливавшихся только из дерева (оконных рам, полов и т. д.). В этом случае свойства переработанного полистирола ничем не уступают свойствам дерева, а по показателям длительности жизненного цикла в естественных условиях даже превосходят его.

Смеси пластиков

Утилизация изделий, состоящих из комбинации различных полимеров, является насколько трудоемкой, настолько и перспективной задачей. С одной стороны, при создании вторичных материалов с допустимыми механическими свойствами из смесей пластиков отпадает необходимость в первичной (на коммунальном уровне) и вторичной (на уровне утилизационного производства) сортировке бытового и промышленного мусора, что должно положительно сказаться на себестоимости переработки. С другой стороны, свойства получаемых материалов не очень-то хороши, т. к. полимеры, составляющие их основу (преимущественно ПЭ, ПП, ПЭТ, ПС и ПВХ), несовместимы между собой и образуют многокомпонентную систему с низким межфазным взаимодействием. Более того, присутствие загрязнителей — частиц бумаги, металла, красителей — приводит к дальнейшему ухудшению физико-механических свойств.
      
     Практически во всех случаях свойства смеси оказываются намного хуже свойств каждого компонента по отдельности. Для достижения видимых успехов в утилизации многокомпонентных отходов необходимо вести переработку с максимально коротким циклом. Задача состоит в том, чтобы, с одной стороны, избежать лишних материальных затрат, а с другой — сократить время переработки, не давая возможности полимерам, входящим в состав материала, начать разрушаться. По этой причине необходимо выдерживать рабочую температуру низкой, даже несмотря на то, что определенные компоненты (например, ПЭТ) останутся в твердом состоянии и будут вести себя как инертные наполнители. Необходимо также выбирать им приложения, которые не требуют высоких механических свойств и не обладают значительными габаритами. Только так можно избежать серьезного влияния себестоимости переработки на конечную стоимость изделия, а также нивелировать невысокие механические свойства многокомпонентного полимера малыми размерами изделий, формируемых из него.

Оборудование

Различные виды оборудования для переработки полимерных отходов производятся во всех развитых индустриальных странах. Есть производители отдельных видов оборудования для «рециклинга» и в СНГ — например, ОАО «Кузполимермаш» (Россия), Барановичский станкостроительный завод (Беларусь).
      
     Однако в комплексных решениях нет равных таким известным европейским фирмам, как Erema GmbH, Artoc Maschinenbau GesmbH, NGR GmbH, General Plastics GmbH (Австрия), Gamma Meccanica, Tria S. p. A. (Италия), Erlenbach GmbH, Sikoplast Maschinenbau, Heinrich Koch GmbH (Германия), ORWAK (Швеция). Сегодня эти компании активно выходят на российский рынок.