IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В современном мире полимеры находят широкое применение, в первую очередь в качестве конструкционных и упаковочных материалов из пластмассы [5], и с каждым годом объемы их производства и потребления только увеличиваются. А значит постоянно увеличивается количество образующихся при этом отходов, переработка которых актуальна с одной стороны из-за необходимости защиты окружающей среды от накопления в ней отходов, а с другой стороны из-за возможности снижения себестоимости производства новых материалов и изделий за счет экономии первичного сырья, в первую очередь, такого как нефть.

В данной работе рассматривается рекуперация отходов производства профильно-погонажных изделий из поливинилхлорида (ПВХ). К полимерным профильно-погонажным относятся изделия большой длины с разной геометрией и размерами поперечного сечения и различной степенью жесткости. Эти изделия широко применяются в качестве отделочного материала и для обеспечения плотного соединения деталей различных конструкций в строительстве, мебельной промышленности и транспортном машиностроении [9].

Профильно-погонажные изделия из ПВХ устойчивы к деформациям, агрессивным средам, старению, ультрафиолетовому излучению и озону. ПВХ – отличный огнеупорный материал. Он с трудом поддается возгоранию и прекращает гореть и тлеть сразу же после того, как исчезает источник высокой температуры. Основная причина - высокое содержание хлора. Это способствует повышению пожарной безопасности построенных объектов.

Кроме того, ПВХ существенно дешевле конкурирующих материалов, на обработку продукции из ПВХ затрачивается меньше энергии, меньше транспортных услуг (а, следовательно, и топлива), а долговечность материала также позволяет экономить – так как их приходиться менять реже.

Вместе с тем ПВХ легко поддается различной механической обработке, а также сварке, склеиванию, формованию и штамповке.

Кроме того, ПВХ превосходит все другие полимеры по возможности модификации различными добавками, что позволяет получить материал, обладающий необходимыми для условий эксплуатации свойствами.

За счет своих преимуществ ПВХ и изделия из него являются одними из наиболее крупнотоннажных в промышленности полимерных материалов и изделий из них.

К основным недостаткам изделий из ПВХ относятся резкое ухудшение свойств при эксплуатации, не советующей рабочему интервалу температур: потеря упругости при отрицательных температурах и размягчение при высоких температурах. Изделия из ПВХ также обладают плохой способностью к растяжению и склонностью к накоплению остаточной деформации при продолжительных и сильных нагрузках. К недостаткам также можно отнести наличие хлора и тенденцию к испарению пластификатора и миграции в лакокрасочные покрытия.

Учитывая все преимущества и недостатки, изделия из ПВХ наиболее выгодно применять в тех сферах, где они не подвергаются воздействию экстремальных температур, высоких нагрузок и напряжений. В данной работе рассматриваются изделия из винипласта, который не содержит пластификатора, а значит не происходит его испарения и миграции, а также отсутствие пластификатора повышает стойкость винипласта к высоким температурам.

В данной работе рассматриваются различные виды молдинга – накладных декоративных элементов в виде планок, используемых в местах стыков панелей из ПВХ, либо стыков между различными элементами (например, стен и пола, стен и потолка и др.).

Анализ причин и источников образования отходов

Широкое распространение панелей ПВХ и молдинга к ним (см. рис. 1) приводят к большому количеству отходов производства и потребления, а значит их утилизация является актуальной задачей.

Причинами образования производственных отходов являются несовершенство оборудования и технологии, нарушение параметров технологического процесса, а к причинам образования отходов потребления – неизбежное образование обрезков при установке и потеря изделиями своих качеств со временем или в экстремальных условиях.

Данная работа посвящена утилизации производственных отходов, рассмотрим подробнее причины и источники их возникновения, связанные в первую очередь с технологией их производства. Рассматриваемые молдинги из ПВХ относятся к профильно-погонажным изделиям, получаемых при помощи экструзии.

Рис. 1. Отделочные молдинги

Возникающие при производстве отходы можно разделить на потери сырья и потери готовой продукции. Потери сырья возникают при отбраковке на входном контроле, хранении, транспортировке, распаковке, взвешивании и смешивании, а также при экструзии за счет налипания материала на шнек экструдера, наличия непропавленных частиц и примесей в сырьевой смеси, при дегазации. Потери готовой продукции возникают при механической обработке (резке) и отбраковке при контроле качества продукции. Для снижения потерь сырья необходимо совершенствование оборудования и производственного процесса, связанные с герметизацией производственных потоков и подбором оптимальных параметров производственного процесса. Потери готовой продукции в первую очередь связаны с необходимостью устранения причин брака продукции, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Виды брака изделий и способы их устранения

Брак	Причины возникновения	Способы устранения
1. Обесцвеченный экструдат	1) сырье низкого каче­ства; 2) температура нагревателей или ско­рость вращения шнека слишком большие; 3) профилирующая головка недостаточно обтекае­мая; 4) экструдер слиш­ком большой для данной производительности.	1) заменить сырье; 2) сни­зить температуру нагревате­лей и скорость вращения шнека; 3) изменить кон­струкцию профилирующей головки; 4) использовать другой экструдер или повы­сить производительность.
2. Нерасплавлен­ные частицы в экструдате	1) слишком большие от­верстия в фильтрующей решетке; 2) низкая тем­пература в переходной зоне и зоне нагнетания; 3) наличие загрязнений в загрузочной смеси; 4) неправильная эксплуата­ция профилирующей го­ловки	1) заменить фильтрующую решетку; 2) повысить тем­пературу в переходной зоне и зоне нагнетания; прове­рить нагреватели; 3) прове­рить состав загру­зочной смеси; 4) снизить темпера­туру профилирую­щей го­ловки, если материал ка­жется бесцветным или если гранулы не плавятся, когда их кладут на горячую та­релку. Если же они рас­пла­вятся, то повысить тем­пера­туру в профилирующей го­ловке. По возможности упростить конструкцию профилирующей головки.

Продолжение табл. 1

Брак	Причины возникновения	Способы устранения
3. Малое попереч­ное сечение про­филя	1) оборудование не син­хронизировано; 2) ско­рость экструзии слиш­ком большая или ско­рость вращения шнека слишком ма­ленькая; 3) калибратор и охлаждаю­щая ванна слишком да­леко от профилирующей го­ловки; 4) впускная зона профилирующей головки слишком боль­шая.	1) синхронизировать обору­до­вание экструзионной ли­нии по одной оси и скоро­сти про­тяжки; 2) снизить скорость тяну­щего устройства или увели­чить скорость вращения шнека; 3) изменить положе­ние калибра­тора и охлажда­ющей ванны; 4) изменить геометрию про­филирующей головки.
4. Разнотолщин­ность в продоль­ном направлении	1) высокие сдвиговые усилия в профилирую­щей головке; 2) неста­бильный температур­ный режим в профили­рую­щей головке; 3) пульса­ция экструдата из-за не­равномерной скорости протяжки или неравно­мерного течения рас­плава; 4) недостаточное сопро­тивление профили­ру­ющей головки;	1) увеличить температуру профилирующей головки, увеличить её входную зону, снизить производитель­ность; 2) стабилизировать темпера­турный режим в профилирую­щей головке; 3) отрегулиро­вать скорость протяжки, под­жать валки тянущего устрой­ства; 4) снизить температуру в про­филирующей головке, ис­пользовать формующий ин­струмент большего сопро­тив­ления, уменьшить ча­стоту вращения шнека.
5. «Рыбьи глаза» (частицы, в кото­рые не проник пла­стификатор)	1) загрязнения; 2) вы­сокая влажность загру­зочной смеси; 2) де­струкция полимера;	1) проверить качество загру­зочной смеси; проверить фильтровальные решетки на наличие обесцвеченных сгуст­ков – показатель низкого каче­ства материала; 2) требуется сушка загрузочной смеси; 3) снизить температуры, осо­бенно в профилирующей го­ловке.

Продолжение табл. 1

Брак	Причины возникновения	Способы устранения
6. Разнотолщин­ность в попереч­ном направлении	1) неправильная гео­метрия головки; 2) не­стабильный темпера­турный режим в го­ловке; 3) неоднород­ность расплава; 4) мед­ленное или неравно­мерное охлаждение экструдата; 5) неточ­ная калибровка го­ловки и калибратора; 6) повы­шенное разбу­хание экструдата из-за несо­ответствия темпе­ра­турно-скоростных па­раметров экструзии.	1) изменить геометрию и ма­териал головки; улучшить её обтекаемость; подкрутить болты на профилирующей го­ловке; 2) стабилизировать температурный режим в про­филирующей головке; 3) ис­пользовать смесительный шнек; 4) повысить и отрегу­ли­ровать скорость охлажде­ния экструдата; 5) откалибро­вать формующую головку и калиб­ратор; 6) отрегулиро­вать тем­пературно- скорост­ные пара­метры процесса в со­ответ­ствии с реологическими пока­зателями сырья.
7. Искривления изделия по длине (волны, вдавлен­ности и т. д.)	1) угол входа материал в профилирующую го­ловку неодинаков по всему сечению; 2) не совпадают оси выхода экструдера и охлажда­ющей ванны; 3) прови­сание изделия под соб­ственным весом; 4) не­правильная геометрия изделия; 5) неполное заполнение профиля расплавом;	1) изменить геометрию про­филирующей головки; 2) от­центрировать оси выхода экс­трудера и охлаждающей ванны; 3) уменьшить расстоя­ние между выходом из экс­тру­дера и калибратором; улуч­шить поддержку профиля при движении по охлаждаю­щей ванне; 4) изменить гео­метрию изделия; 5) умень­шить ско­рость экструдирова­ния или увеличить производи­тель­ность; проверить работу ка­либратора
8. Разводы на по­верхности	1) низкая температура профилирующей го­ловки; 2) слишком вы­сокая скорость экстру­зии; 3) большое проти­во­давление фильтрую­щей решетки; 4) низкая температура плавления	1) повысить температуру про­филирующей головки; 2) сни­зить скорость экструзии; 3) за­менить фильтрующие ре­шетки; 4) повысить темпера­туру нагревателей.

Продолжение табл. 1

Брак	Причины возникновения	Способы устранения
9. Пузыри и пу­стоты в изделии	1) высокая влажность загрузочной смеси; наличие летучих про­дуктов; 2) деструкция полимера;	1) высушить загрузочную смесь; снизить температуру исходного сырья; уменьшить скорость охлаждения; снизить поступление воздуха, исполь­зуя вентилируемый экструдер, частицы большего размера и вакуумную систему подачи материала в приемный бункер; 2) снизить температуру плав­ления;
10. Высокая шеро­ховатость поверх­ности	1) загрязненное или влажное сырье; 2) низ­кая температура рас­плава; 3) загрязнение рабочих поверхностей инструмента; 4) раз­рывы потока; 5) профи­лирующая головка не­достаточно обтекаема; 6) низкая температура профилирующей го­ловки.	1) заменить партию сырья или подсушить его; 2) повысить температуру формующей го­ловки; 3) отшлифовать рабо­чие поверхности формующей головки; 4) см. табл. 8 на стр. 35; 5) изменить геометрию формующей головки; 6) повы­сить температуру профилиру­ющей головки
11. Потемнение поверхности	деструкция полимера из-за перегрева рас­плава.	вычистить экструдер и форму­ющий инструмент; отрегули­ровать температурный режим: снизить температуру в зонах цилиндра или увеличить ча­стоту вращения шнека.
12. Тусклая по­верхность	1) плохо отшлифованы рабочие поверхности формующего инстру­мента; 2) плохое пере­мешивание расплава; 3) Резкое охлаждение экструдата	1) отшлифовать рабочие по­верхности формующего ин­струмента; 2) повысить давле­ние в головке – снизить темпе­ратуру в зонах цилиндра, уста­новить дополнительные филь­трующие сетки, охладить шнек, уменьшить его частоту вращения; 3) изменить режим охлаждения экструдата после выхода из формующей головки

Окончание табл. 1

Брак	Причины возникновения	Способы устранения
13. Полосы, цара­пины, риски на поверхности из­делия в направле­нии экструзии, разрывы изделия по длине.	1) неправильно уста­новлено охлаждение изделия; 2) наличие по­сторонних частиц в формующем инстру­менте; 3) наличие за­зубрин (заусенец) или прига­ров полимера на рабо­чих поверхностях фор­мующего инстру­мента;	1) отладить охлаждение изде­лия; 2) вычистить фильеру; провести замену или ремонт фильеры, калибратора; 3) вы­чистить, отшлифовать (или пе­рехромировать) рабочие по­верхности формующего ин­струмента.
14. Утяжки, рако­вины, линии сварки	1) слишком быстрое охлаждение; 2) непра­вильная геометрия про­филирующей головки; 3) загрязнения и дефор­мация профилирую­щей головки	1) уменьшить скорость охла­ждения; 2) изменить конструк­цию профилирующей головки; снизить производительность и повысить температуру; ис­пользовать профилирующие головки с низким трением; 3) прочистить и отшлифовать профилирующую головку.
15. Низкая меха­ническая проч­ность	1) плохое перемешива­ние (неоднородность) расплава; 2) не отрегу­лирован температур­ный режим; 3) низкая степень вытяжки.	1) увеличить сопротивление в головке установкой дополни­тельных сеток; 2) отрегулиро­вать температурный режим; 3) увеличить скорость отвода из­делия, снизить частоту враще­ния шнека

Характеристика отходов и их компонентов

Рассматриваемый в данной работе винипласт является достаточно инертным материалом с однородным составом, поэтому отходы производства и потребления из него в основном содержат только винипласт и входящие в его состав вещества с большей или меньшей степенью деструкции и с минимумом посторонних примесей.

Винипласт (жесткий ПВХ) – термопластичный непрозрачный материал на основе поливинилхлорида, не содержащий пластификатора. Вместе с тем в состав винипласта входят следующие добавки: термостабилизаторы, смазки, пигменты (красители), минеральные наполнители и эластомеры [10]. Для получения цветных изделий в состав винипласта вводят красители.

Винипласт не горюч и не имеет запаха. Кроме того, винипласт хорошо поддаётся различным видам механической обработки. Винипласт легко сваривается при температуре 230-250 ^оС с помощью сварочного прутка и хорошо склеивается разнообразными видами клеев, приготовленных на основе поливинилхлорида и перхлорвиниловой смолы. Следует отметить, что сварные и клеевые соединения, прочность которых составляет 80-90% от прочности материала, хорошо поддаются механической обработке. Винипласт может быть приклеен к бетонным, деревянным и металлическим поверхностям.

Винипласт является хорошим диэлектриком при эксплуатации изделий в пределах +20-80 ^оС, но следует учитывать, что при нагревании винипластового изделия выше +80 ^оС наступает резкое падение диэлектрических свойств. Винипласт устойчив к действию кислот, щелочей и алифатических углеводородов, но неустойчив к действию ароматических и хлорированных углеводородов, кетонов, сложных эфиров и концентрированной азотной кислоты. Винипласт не растворим в метиловом, этиловом спирте, высших алкоголях, глицерине и многочисленных алифатических алкоголях, алифотических углеводородах, смазочных и растительных маслах.

Температурный диапазон эксплуатации изделий из винипласта от 0 до +60 ^оС. Допускается нижний предел эксплуатации до –50 ^оС только в тех случаях, когда материал не подвергают механическому воздействию. При нагреве до температур выше 170 ^оС выделяется хлористый водород (2-й класс опасности).

Предельно допустимые концентрации (ПДК) продуктов разложения (дегазации) винипласта и пыли приведены в табл. 2.

Таблица 2

ПДК вредных газов и аэрозолей в воздухе рабочей зоны

Вещество	ПДК, мг/м3
Винилхлорид	5,1
Хлористый водород	5
Оксид углерода	20
Пыль ПВХ	6

Характеристика методов обработки и переработки

Как и для большинства видов отходов в данном случае применяют рекуперацию, т.е. возврат отходов на производство, являющееся их источником, утилизацию, т.е. переработку отходов во вторичные сырьевые и энергетические ресурсы или их захоронение на свалках и полигонах.

В ряде случаев полимерные отходы применяют в качестве наполнителя или связующего в производстве композиционных материалов (композитов), в основном строительного назначения. Наиболее распространенными композитами являются полимербетон и полимерпесчаные композиты, представляющие собой затвердевшую смесь полимера с минеральным заполнителем - кварцевым песком, щебнем, стеклом и т.д.

Непосредственно поливинилхлорид, в том числе винипласт, перерабатывают в линолеум, искусственные кожи и пленочные материалы, а также применяют в дорожном строительстве

В тех случаях, когда непосредственная утилизация полимеров нецелесообразна применяют их деполимеризацию термическими и термохимическими методами.

В случае необходимости проводят предварительную обработку отходов винипласта, заключающуюся в сортировке от других отходов, промывке, сушке и в ряде случаев в получении полупродуктов – гранул, листов и т.п.

Переработка отходов винипласта в полупродукты и готовые изделия проводится с использованием трех групп методов, которые применяются как отдельно, так и в различных сочетаниях:

1) Механические методы, заключающиеся в резке и измельчении отходов, а также в механической обработке поверхностей (шлифовке);

2) Термические методы, заключающиеся в пластикации для последующей формовке под действием различных факторов или в термической деструкции (сжигание, пиролиз, газификация и т.п.) для получения вторичных сырьевых ресурсов;

3) Химические методы, заключающиеся в обработке различными реагентами или совместной с различными добавками переработке.

Также следует учесть такое направление переработки полимерных отходов как является разработка и применение саморазлагающихся полимеров, которые сохраняют свои свойства в течение периода эксплуатации, а затем происходит их расщепление под действием бактерий, ультрафиолетового излучения и воды [1]. Это направление позволяет сократить темпы накопления полимерных отходов в окружающей среде [11].

В случае с переработкой отходов потребления основная проблема заключается в более высокой степени деструкции и необходимостью селективного сбора или сортировки отходов по материалам (металл, стекло, бумага, марки полимеров и т.д.). В связи с этим перспективными являются технологии по переработке смесей различных полимеров в готовые изделия, в основном строительные [1, 12, 13] – блоки, плиты, черепицу и др. При этом часть полимерных отходов переводят в расплавленное состояние, и они выступают в роли связующего для части отходов, остающихся в твердом состоянии. В этом случае основной проблемой является уменьшение цикла переработки, чтобы снизить вероятность деструкции полимеров [10].

Выбор и обоснование применяемых методов

При переработке полимерных отходов следует учитывать большое разнообразие видов пластмасс, представляющих собой смеси полимеров с различными добавками, которые в большей или меньшей степени являются токсичными веществами [4]. Кроме того, промышленные синтетические полимеры являются относительно устойчивыми соединениями, которые в течение долгого времени не поддаются разложению под действием окружающей среды и надолго сохраняются в ней в виде загрязнений [1, 4, 5].

В связи с этим традиционно применяемые для большинства отходов методы – сжигание и захоронение на свалках и полигонах малоэффективны для полимерных отходов. Захоронение является наименее приемлемой технологией утилизации не только по причине больших сроков разложения полимеров, но также из-за сравнительно невысокой плотности пластиков, а, следовательно, большего объема при одинаковой с другими типами отходов массе [10]. А с учетом малого срока службы упаковочных материалов, а значит быстрых темпов накопления отходов, возникает необходимость в больших площадях для захоронения, что приводит к деградации территорий [6, 11] и экономически нецелесообразно.

Сжигание полимерных отходов является наиболее простым методом их переработки, так как не требует предварительной подготовки отходов (лишь в ряде случаев необходимо дробление на крупные куски [1]) и позволяет утилизировать полимерные отходы совместно с другими отходами. Эффективность сжигания связана с хорошей теплотворностью полимерных отходов и ростом цен на невозобновляемые органические виды топлива. По различным оценкам на сегодня сжигается до 40 % полимерных отходов [6].

Однако при сжигании полимерных отходов образуются токсичные газы, наибольшую опасность среди которых представляют фураны и диоксины, возникающие при сжигании хлорсодержащих отходов [1]. Поэтому необходимо проводить дожигание отходов при температурах 1200 – 1400 ^оС, при которых токсичные соединения распадаются, очищать дымовые газы при помощи сорбционных методов очистки или сухой очистки, заключающейся во введении в газы пыли негашеной извести, оксида магния или гидроксида натрия, которые взаимодействуют с токсичными продуктами горения и образуют безвредные соединения.

Например, негашеная известь нейтрализует хлористый водород по реакции:

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O

При этом наиболее перспективной является применение технологии сжигания полимерных отходов в металлургическом производстве для получения энергии и восстановителей, прежде всего в доменных печах. Это позволяет избежать выброса токсичных продуктов сгорания за счет высоких температур, а большой расход отходов позволяет даже в печах среднего объема утилизировать большое их количество [6, 8].

Преимуществами биоразлагаемых полимеров является использование природных возобновляемых ресурсов и возможность полного разложения при попадании в окружающую среду (за исключением биосинтетических полимеров). Недостатками подобных полимеров являются относительно высокая стоимость добавок, в большинстве случаев более низкие эксплуатационные характеристики и вероятность, что разложение полимера начнется до истечения срока эксплуатации [2, 5].

Кроме того, недостатками всех выше рассмотренных технологий является частичная или полная ликвидация полимерных отходов, приводящая к потере материалов, которые могут быть использованы в качестве вторичных ресурсов. Поэтому более перспективна переработка полимерных отходов для их дальнейшего использования в различных химико-технологических процессах. При этом становится необходимым селективный от остальных отходов, а в ряде случаев и раздельный по видам полимеров сбор и дальнейшая сортировка отходов. Для выбора технологии переработки необходимо учитывать тоннажность и однородность полимерных отходов, а также востребованность получаемых вторичных ресурсов и производимых из них материалов и изделий.

Переработка полимерных отходов возможна по двум направлениям: непосредственное использование полимеров и предварительные деполимеризация или разложение с получением вторичных сырьевых ресурсов. При этом следует различать переработку отходов из термопластов, которые способны обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное либо вязкотекучее состояние, и реактопластов, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Как упоминалось ранее рассматриваемый в данной работе винипласт относится к термопластичным полимерам.

Непосредственному использованию для переработки полимеров в изделия главным образом подвергают отходы производства на том же предприятии, на котором они образуются. При этом термопласты подвергают в основном только измельчению, а затем смешивают с первичным сырьем. Это связано с тем, что по своим свойствам отходы производства практически не отличаются от первичного сырья. Однако у этого метода утилизации термопластов есть свои ограничения, связанные в первую очередь с тем, что у вторичного полимерного сырья нестабильные и худшие физико-механические свойства по сравнению с первичным полимерным сырьем. Ухудшение свойств происходит за счет частичной деструкции и возможного наличия неполимерных включений, особенно в отходах потребления [1, 10]. Это приводит к невозможности бесконечной переработки термопластов, усложнению процесса переработки и снижению свойств получаемых изделий, которые в итоге могут не соответствовать предъявляемым требованиям. Кроме того, изделия из вторичных полимеров часто имеют худший внешний вид [4, 10]. В связи с этим ограничивают количество вторичного сырья, добавляемого к первичному.

Таким образом, для отходов производства наиболее рациональной, экономически выгодной и перспективной является их рекуперация на том же предприятии, на котором они образуются.

Выбор и обоснование применяемого оборудования

Для реализации выбранной технологии рекуперации отходов винипласта в производство их необходимо измельчить, а затем смешать с первичным сырьем. Для этих целей необходимо выбрать тип дробилки и смесителя.

Учитывая требуемую степень измельчения до размеров сопоставимых с гранулами первичного сырья (от 2 до 5 мм) и то, что винипласт легко поддается резанию и обладает сравнительно высокой эластичностью наиболее эффективным будет применение роторно-ножевой дробилки.

Дробление в роторно-ножевой дробилке (см. рис. 2) осуществляется методом удара ножами, жёстко закрепленными на вращающемся роторе. Расположение ротора может быть, как горизонтальным, так и вертикальным.

Рис. 2. Схема роторно-ножевой дробилки

Учитывая размер перемешиваемых частиц в качестве смесителя выбираем смеситель накопительного типа с вертикальным шнеком, применяемый для смешивания первичного сырья со вторичным сырьем или красителями. Этот тип смесителя не может быть использован для смешивания порошкообразных материалов и материалов с сильно отличающейся плотностью, а в рассматриваемом случае применяются первичный и вторичный винипласт с размером частиц 2 – 5 мм.

В накопительном вертикальном смесителе (см. рис. 3) используется вертикально расположенный шнек, который создает непрерывный поток сырья с низу вверх, тем самым создавая завихрения, которые в свою очередь приводит к равномерному смешиванию. Сырье поднимается вверх по шнеку и спускается по краям конического бункера. Такой процесс смешивания происходит равномерно за короткий промежуток времени, экономит эл. энергию и имеет высокую производительность.

Рис. 3. Схема накопительного вертикального смесителя

Описание разработанной схемы обработки и переработки

Процесс производства ПВХ-молдингов методом экструзии с рекуперацией возвратных отходов (брака готовой продукции) проводится в соответствии с принципиальной технологической схемой производства профильно-погонажных изделий (см. рис. 4)

Рис. 4. Технологическая схема производства ПВХ-молдингов

(пояснения в тексте)

Винипласт хранится в закрытом, проветриваемом и отапливаемом складском помещении в мешках на поддонах, где выдерживаются при температуре воздуха не менее 15 ^оС в течении суток. При этом необходимо избегать попадания на контейнеры прямых солнечных лучей, соблюдать относительную влажность воздуха не более 70 % и располагать мешки на расстоянии 1 м от нагревательных приборов.

С заводского склада мешки на поддонах при помощи гидравлической тележки (называемой также рохля или рокла, поз. ГТ) доставляют на цеховой склад сырья (поз. СС) участка смешивания. На цеховом складе сырья должно находится не более суточного количества винипласта, при этом мешки должны храниться на поддонах. На цеховом складе также хранятся мешки с дробленкой (вторичное сырье) от собственного производства (поз. СД).

По мере необходимости мешки распаковывают и пересыпают их содержимое в накопительный смеситель (поз. НСм), добавляя к первичному сырью дробленку из расчета до 4 масс.ч. на 100 масс.ч. винипласта. Дробленку предварительно взвешивают на настольных весах с большей точностью взвешивания порций до 10 кг. Винипласт не нуждается во взвешивании, так как масса его загрузки соответствует массе 2 стандартных мешков по 25 кг, что также удовлетворяет рабочей емкости смесителя. Запуск и остановка смесителя происходят с пульта управления.

Готовая загрузочная смесь разгружается через нижний люк, снабженный шиберной заслонкой, в специальные технологические контейнеры (поз. ТК), которые при помощи гидравлической тележки транспортируют к экструзионной линии и располагают перед экструдером (поз. Э) со стороны бункера-сушилки (поз. БС). Необходимо, чтобы запас загрузочной смеси в контейнере составлял около 2 часов работы экструзионной линии.

Для подачи загрузочной смеси из технологического контейнера в бункер-сушилку экструдера применяется вакуумный загрузчик (поз. ВЗ). При подаче в бункер-сушилку смесь проходит магнитную ловушку, где улавливаются случайно попавшие в смесь частички железа. В бункере-сушилке происходит удаление влаги из загрузочной смеси при помощи горячего воздуха, поступающего при помощи вентилятора и нагреваемого в калорифере, входящими в конструкцию бункера-сушилки.

Загрузочная смесь из бункера-сушилки самотеком, регулируемым шиберной заслонкой, поступает в загрузочную зону экструдера и попадает в пространство между витками шнека и стенками материального цилиндра. При вращении шнека материал постепенно продвигается вдоль материального цилиндра и подвергается нагреванию за счёт трения материала о стенки цилиндра и поверхность шнека, а также за счёт зональных кольцевых электронагревателей. В результате материал расплавляется, а расплав перемешивается и уплотняется за счёт уменьшения шага витков по длине шнека.

По выходе из цилиндра шнека материал под действием созданного давления продавливается через экструзионную головку (фильеру, поз. Г), сечение отверстия которой соответствует форме профиля. Головка изготавливается из высококачественной инструментальной стали с хромированием и полировкой внутренних поверхностей.

Для точного соблюдения геометрических размеров изделия профиль после выхода из фильеры протягивается через вакуумный калибратор, на входе в который поверхность профиля смачивается водой, выполняющей роль смазки и улучшающей скольжение материала по зонам калибратора.

Регулировкой подачи воды добиваются оптимального режима на входе материала в калибратор (поз. ВК). За счет создаваемого в калибраторе вакуума заготовка плотно прижимается к полированной поверхности и интенсивно охлаждается водой до температуры около 80°С (ниже точки кристаллизации) и сохраняет в дальнейшем требуемую форму внешней поверхности. Разряжение во всех зонах вакуумного калибратора 0,7-0,8 МПа. Разрежение в калибраторе создается при помощи водокольцевого вакуумного насоса (поз. ВВН). Дальнейшее охлаждение материала происходит в охлаждающей ванне (поз. ОВ) при контакте с циркулирующей в ней водой. Температура воды, подаваемой в вакуумный калибратор и охлаждающую ванну составляет 8 ^оС.

На бортиках ванны смонтированы подвижные кронштейны с роликами. Профиль движется вдоль ванны, находясь над роликами или под ними, таким образом, чтобы исключить его провисание под действием собственного веса и не касаясь стенок на определённой глубине. На выходе из ванны смонтирована влагоотделительная установка, к которой подведен трубопровод сжатого воздуха 0,4 – 0,6 МПа. Во время прохождения через устройство с профиля сдуваются капельки воды.

Вода для калибратора и ванны охлаждения подается из оборотной системы, включающей в себя водоохладитель (чиллер) со встроенным гидромодулем, обеспечивающем циркуляцию воды.

На качество калибровки и охлаждения оказывают влияние четыре фактора – уровень вакуума в калибраторе, расход воды для смазки, температура воды в ванне и интенсивность охлаждения.

После охлаждения профиль проходит через тянущий и отрезной станок (поз. ТиОС). Вначале профиль проходит через тянущее устройство в виде двух движущихся лент, закрепленных в траверсах. Тянущее устройство захватывает изделие и обеспечивает равномерную скорость протягивания профиля. При этом скорость отвода согласована с производительностью экструдера. Для обеспечения продвижения профиля без проскальзывания к изделию должно быть приложено усилие, которое создаётся за счёт прижима верхней подвижной траверсы к нижней неподвижной траверсе.

На тянущем устройстве установлен счётчик метража изделия с цифровым табло, который по достижении требуемой длины профиля подаёт звуковой сигнал на отрезное устройство, которое захватывает профиль и движется вместе с ним по направляющим, одновременно производя рез пилой по заданной длине.

После отрезки профиль по направляющей трубе отрезного устройства подаётся на автомат-укладчик (поз. АУ), работающий синхронно с отрезным устройством таким образом, что как только отрезанный профиль оказывает на автомате, манипуляторы смещают его в сторону. Смещенный профиль попадает в приемный отсек транспортера автомата-кладчика, в котором съезжает по направляющим и укладывается в штабель.

При укладке профилей в штабель происходит первичный визуальный контроль качества внешнего вида профиля и качества его упаковки. Определенное количество профилей (в зависимости от наблюдаемого количества брака, например, каждый 10 профиль) проходит полный контроль качества, включающий проверку размеров поперечного сечения, отклонение от прямолинейности и массу одного погонного метра. Визуальный и инструментальный контроль проводятся при сравнении с эталоном и эскизом изделия. Полный контроль проводится в отделе технического контроля (поз. КК), в который профиль относится контроллером вручную.

Отбракованная при визуальном контроле и в отделе технического контроля продукция разрезается на отрезки длиной не более 0,5 метра и помещается в сборный мешок, на котором указывается фамилия контроллера-упаковщика, вес отходов, дата и сырье, из которого они получены. Мешки с бракованной продукцией при помощи гидравлической тележки направляются на участок дробления.

Как только штабель в автомате-укладчике оказывается собранным включается транспортер, и штабель попадает в автоматический упаковщик длинномеров (поз. УД). Обмотка проводится горизонтально за счет вращающегося кольца с закрепленным рулоном пленки. Автомат сам определяет наличие внутри него штабеля профилей, а по окончании цикла обмотки обрезает упаковочную ленту.

Упакованный в пленку штабель по конвейеру попадает на накопительный стол (поз. НСт), с которого он снимается вручную и помещается в специальный поддон (паллету) для длинномеров (поз. П). Паллеты с упакованными штабелями электропогрузчиком (поз. ЭП) доставляются на склад и размещаются на консольных стеллажах (поз. СГП), представляющих собой конструкции из металлических балок и предназначенных для компактного и безопасного складирования длинномерных изделий.

Консольные стеллажи располагают в сухом закрытом отапливаемом помещении на расстоянии не менее 1,5 м от отопительных приборов. Готовые изделия должны быть защищены от попадания прямых солнечных и тепловых лучей, от механических повреждений и загрязнений. Готовая продукция должна быть предохранена от попадания веществ, разрушающих пластмассу, и механических нагрузок. Хранение вместе с готовой продукцией кислот, щелочей, органических растворителей недопустимо.

Отбракованная при контроле продукция, продукция, полученная при выходе экструзионной линии на регламентный режим работы, а также остатки перерабатываемой смеси, извлечённые из экструдера при чистке, доставляются на участок дробления в мешках при помощи гидравлических тележек.

Отходы производства равномерно вручную подают в загрузочную воронку роторной дробилки. При этом отходы разных цветов измельчают отдельно. Измельчение происходит в результате взаимодействия ножей, закреплённых на вращающемся роторе и ножей, закрепленных на корпусе дробилки. Производительность дробилки обеспечивается оптимальным углом заточки ножей, а размер частиц дробленки определяется расстоянием между прутьями решетки в нижней части дробилки. Измельченные отходы проваливаются через решетку и попадают в лоток, установленный под выгрузочной воронкой. Из лотка отходы пересыпают в мешок, который затем завязывается шпагатом, маркируется и на гидравлической тележке направляется на участок дозировки и смешивания (поз. СД).

Заключение

В данной работе рассмотрена технология рекуперации отходов производства молдингов из винипласта. Эта технология предусматривает рекуперацию на предприятии, являющемся источником этих отходов и позволяет перерабатывать возвратные отходы, образующиеся при проведении технологического процесса.

Рассмотренная технология заключается в измельчении отбракованной продукции, продукции, полученной при выходе экструзионной линии на регламентный режим работы, а также остатков перерабатываемой смеси, извлечённых из экструдера при чистке, до размеров частиц, сопоставимых с гранулами первичного сырья. Измельчение проводится в роторно-ножевой дробилке, подобные которой наиболее широко применяются для измельчения полимерных отходов.

Измельченные отходы (дробленка) смешиваются с первичным сырьем в вертикальном накопительном смесителе, в котором вертикально расположен шнек. Смеситель подобной конструкции предназначен для перемешивания гранулированного и тонкоизмельченного (не до порошкообразного состояния) сырья.

Применение рассмотренной технологии с одной стороны позволит уменьшить производственные потери и снизить себестоимость продукции за счет экономии первичного сырья, а с другой стороны снизит темпы накопления полимерных отходов и уменьшит степень загрязнение ими окружающей среды.

Список литературы

1. Базунова М.В., Прочухан Ю.А. Способы утилизации отходов полимеров [Текст] / М.В. Базунова, Ю.А. Прочухан // Вестник Башкирского университета. – 2008. – Т.13. №4. – С. 875-885.

2. Биоразлагаемые полимерные материалы [Электронный ресурс] // Отраслевой портал Unipack.ru: сайт. – URL: Unipack.ru http://ref.unipack.ru/13/ (дата обращения 6.10.2016).

3. Бобович Б.Б. Переработка промышленных отходов [Текст]: учебник для вузов / Б.Б. Бобович. – Москва: СП Интермет Инжиниринг, 1999. – 445 с.

4. Клинков А.С. Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов [Текст]: учебное пособие / А.С. Клинков, Беляев П.С., М.В. Соколов. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 80 с.

5. Материалы будущего: перспективные материалы для народного хозяйства [Текст] / К. Бауман, Р. Бернст, Ф.Г. Брауне и др.; пер. с нем. А.Г. Екимова, Н.А. Катуркина, В.В. Михайлова, под ред. В.Н. Красовского. – Ленинград: Химия, 1985. – 240 с.

6. Основные направления переработки полимеров [Электронный ресурс] // ЭКО-процессинг: переработка, покупка ПЭТ, ПВД, ПНД, ПП: сайт. – URL: http://www.ekoprozess.ru/2015/04/18/основные-направления-переработки-полимеров/ (дата обращения 6.10.2016).

7. Переработка пластика в России и Европе [Электронный ресурс] // Пиролиз. Оборудование по утилизации и переработке отходов: буровых отходов, нефтешламов, отходов бурения, резины, шин: сайт. – URL: http://i-pec.ru/info/pererabotka-piroliz-plastika-i-plastikovyx-otxodov (дата обращения 6.10.2016).

8. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Ч. 3. Защита литосферы [Текст]: текст лекций по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» / сост. И. Г. Кобзарь, В. В. Козлова. – Ульяновск: изд-во УлГТУ, 2008 – 100 с.

9. Шахова В.Н., Пикалов Е.С. Обзор методов переработки полимеров в профильно-погонажные изделия // Инновационные технологии в науке и образовании: сборник статей международной научно-практической конференции, состоявшейся 5 декабря 2016 г. в г. Пенза / Под общ. ред. Г.Ю. Гуляева – Пенза: МЦНС «Наука и просвещение». – 2016. – С. 64-66.

10. Шахова В.Н., Пикалов Е.С. ПВХ-композиции и входящие в их состав добавки // Наука, технология, техника: перспективные исследования и разработки: сборник научных трудов по материалам I Международной научно- практической конференции студентов, магистрантов и аспирантов 30 ноября 2016 г. Калининград: НОО «Профессиональная наука», 2016. – С. 424-429.

11. Шахова В.Н., Воробьева А.А., Виткалова И.А., Торлова А.С. Современные технологии переработки полимерных отходов и проблемы их использования // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 11-2. – С. 320-324 – URL: https://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36408

Код для цитирования: Скопировать