Технологія утилізації тканих матеріалів шляхом утворення композиційних полімерних матеріалів

tiz_009_zemlia.gifПрогрес у будь-якій сфері людської діяльності обов'язково пов'язаний з оборотною, негативною стороною цього процесу - появою й нагромадженням відходів. Ця схема прийнятна й для сфери тканих матеріалів,
для яких існують відходи у ткацькому й у текстильному виробництвах, а найбільший і об'єм, що збільшується, відходів становлять вироби із тканин - одяг, що зношується, «виходить із моди» і т.п., і в результаті підлягає утилізації. У країнах Західної Європи питання частково вирішується створенням системи «second hand», завдяки чому непотрібний одяг виявляється в Україні, створюючи тут додаткову екологічну проблему.
      Як раціональний варіант утилізації подібної вторинної сировини запропоновано розглянути можливість використання здрібнених тканин як наповнювачів полімерних композиційних матеріалів, які широко використовуються в різних галузях людської діяльності. Використання фактично непридатного (дармового) наповнювача в значних кількостях привело б до істотного здешевлення таких полімерних матеріалів.
      При аналізі науково-технічної літератури не було знайдено повідомлень про застосування здрібнених тканин в якості волокнистого наповнювача [1, 2]. У зв'язку із цим становило інтерес вивчення можливості одержання композиційних матеріалів подібного типу й оцінка рівня їхніх властивостей, оскільки при цьому можна було б використовувати для наповнення текстильні відходи промисловості, а також швейні вироби, що були у використані та належать до утилізації.
      Як вихідний матеріал в роботі для одержання дискретних тканих наповнювачів були розглянуті тканини, які масово виробляються у текстильної промисловості. Вони містять різні за природою хімічні волокна та їхні суміші такого складу: поліестер 100% (П), бавовна 100% (Б), поліестер 65% - бавовна 35% (ПБ), поліестер 38% - віскоза 62% (ПВ).
      Загальний технологічний підхід в одержанні композиційних матеріалів складався в змішуванні гранул вихідного ізотактичного поліпропілену марки Н-3781 і попередньо здрібненого до фрагментів розміром 5х10 мм тканого наповнювача в черв'ячно-дисковому екструдері [3] з наступною грануляцією екструдата й одержанням методом лиття під тиском зразків для наступних випробувань.
      При проведенні досліджень композиційних матеріалів у порівнянні з вихідним поліпропіленом були оцінені таки властивості як: руйнівне напруження при розтяганні σр, відносне подовження при розриві ε, відносне залишкове подовження при розриві εзал., ударна в'язкість із надрізом за Шарпі σуд, напруження при згині σзг, ступінь набрякання у водному середовищі w. 
      Показано принципову можливість одержання методом екструзії композиційних матеріалів на основі поліпропілену, наповненого до 10 мас. % здрібненими тканинами різної хімічної природи (на основі синтетичних, натуральних волокон і волокон змішаного типу).
      Руйнівне напруження при розриві σр (рисунок 1) істотно не змінюється для всіх наповнювачів при ступені наповнення від 0 до 10 мас. %. При цьому відносне подовження при розриві ε (рисунок 2) і залишкове подовження при розриві εзал. для всіх композицій різко знижуються, досягаючи при максимальному ступеню наповнення значень у кілька відсотків. Можна відзначити тільки більш плавний характер залежності цих властивостей для тканого наповнювача ПБ, в інших випадках уже при ступені наповнення в 3 мас. % відбувається зниження цих показників в 5 - 7 разів. Також спостерігається різке зниження ударної в'язкості з надрізом σуд і без надрізу (рисунок 3) для всіх композиційних матеріалів, тобто відсутній армуючий ефект, який можна було б очікувати при введенні в полімерну композицію наповнювача волокнистої природи. Особливо істотне зниження σуд спостерігається при малому ступені наповнення (3 мас. %), що можна пояснити неоднорідністю складу композицій через нерівномірний розподіл наповнювача. Подальше поступове зростання ударної в'язкості при збільшенні ступеня наповнення служить підтвердженням цього припущення.
      Тільки для показника міцності при статичному згині σзг. для всіх розглянутих тканих наповнювачів спостерігається монотонне зростання при збільшенні їхнього змісту в полімерній композиції з 6 МПа (для вихідного поліпропілену) максимально до 8,3 МПа (у випадку наповнювача П).

 

Рисунок1 - Залежність руйнівного напруження при розтяганні ?р композиційних матеріалів від вмісту, природи та апретування наповнювача
 
 
 
  Рисунок 2 - Залежність відносного подовження при розриві ? композиційних матеріалів від вмісту, природи та апретування наповнювача 
 

 


Рисунок 3 - Залежність ударної в'язкості за Шарпі без надрізу ?уд1 композиційних матеріалів від вмісту, природи та апретування наповнювача

 

      Оцінка ступеня набрякання композиційних матеріалів у водному середовищі (рисунок 5) дала очікувані результати: для гідрофобного за природою наповнювача (поліестерна тканина) водопоглинання при збільшенні його змісту в композиції зменшується з 0,4 мас. % для вихідного поліпропілену до 0,1 мас. %, і навпаки – для гідрофільної бавовняної тканини (наповнювач Б) - спостерігається значне збільшення водопоглинання – до 2,2 мас. %. Результати при використанні змішаного наповнювача ПБ, що містить бавовняне волокно, також добре корелюють – має місце підвищення водопоглинення, але в меншому ступені (до 1 мас. %).
      У такий спосіб отримані матеріали мають цілком задовільні фізико-механічні властивості, хоча й поступаються вихідному поліпропілену. Позитивним моментом варто вважати можливість здешевлення композиційних матеріалів за рахунок введення значних кількостей дешевих наповнювачів, оскільки розглядається варіант використання тканих матеріалів, що підлягають утилізації.
      У розвиток проведених досліджень становило інтерес вивчити можливість збільшення ступеня наповнення композиційних матеріалів на основі поліпропілену й розглянутих раніше здрібнених тканин з метою, по-перше, їхнього здешевлення, а по-друге, одержання для них більш високих тривких характеристик. Це можна було б очікувати при введенні до термопластичного полімеру здрібнених шматочків тканини (це можна в першому наближенні розглядати як композиційний полімерний матеріал з хаотично розподіленими дискретними волокнами), що, як відомо [3-5], повинне приводити до підвищення стійкості матеріалу в умовах статичного навантаження при розтяганні, стиску, згині й ударних навантаженнях.
      Для розглянутої системи полімер - наповнювач відповідно з одержаних даних слідує, що композиційний матеріал при низькому ступені наповнення (3 - 5 мас. %) має високу неоднорідність. Це викликано нерівномірністю розподілу досить великих часток тканини в полімерній матриці, що і є причиною, як відзначено в [6], різкого зниження таких показників міцності як ударна в'язкість, руйнівне напруження при розтяганні, згинаюче напруження при згині в порівнянні з вихідним поліпропіленом. Збільшення ступеня наповнення приводить до більшої однорідності композита й, як наслідок, до поступового зростання показників міцності, що є загальною тенденцією для всіх розглянутих тканих наповнювачів незалежно від хімічної природи волокон, з яких вони складаються.
      З вищесказаного слід, що доцільно розглянути властивості системи поліпропілен - тканий наповнювач при більшому ступені наповнення. Однак технологічний підхід, описаний вище, забезпечив максимальний ступінь наповнення в 10 мас. %. Зі значними технологічними труднощами через украй низьку текучість композиції при екструзії вдалося досягти ступеня наповнення в 15 мас. %.
      З метою збільшення текучості композицій при екструзії механічної суміші поліпропілену з наповнювачем і підвищення за рахунок цього граничного ступеня наповнення був розглянутий варіант попереднього апретування здрібненої тканини.
      У якості апрету було використовано поліметилсилоксанову рідину ПМС 400, що вводили в кількості 0,5 мас. % від маси наповнювача. Наважку апрету розчиняли в толуолі, у кількості, що забезпечує повне просочення наповнювача. Просочення здрібненого до фрагментів розміром 5 х 10 мм тканого наповнювача здійснювалися протягом 24 годин, потім здрібнену тканину розподіляли тонким шаром на піддоні й поміщали в термошафу при температурі 120оС. Час витримки в термошафі становил 8-12 годин – до повного видалення розчинника, що оцінювали ваговим методом (до припинення втрати маси тканини). Оброблений у такий спосіб наповнювач надалі використовували для одержання композиційних матеріалів.
        Для апретування була використана тканина наступного складу: поліестер 65% – бавовна 35% (ПБа). Для порівняння була отримана й випробувана серія композицій з неапретованим наповнювачем цієї ж природи (ПБ). Для наповнювача ПБ гранично досягнутий ступінь наповнення в полімерних композиціях був 15 мас. %, а для ПБа – 20 мас. %.   
       Величина руйнівного напруження при розриві σр у всім інтервалі ступенів наповнення від 3 до 20 мас. % залишається приблизно на рівні вихідного поліпропілену незалежно від того, апретований наповнювач чи ні (рисунок 1). При цьому відносне подовження при розриві ε, також як і залишкове відносне подовження при розриві ?зал. (рисунок 2) значно знижується, що природно для наповнених полімерних систем, але для апретованих композицій спостерігається зростання цих показників (до 50%) при більших ступенях наповнення, тобто одержувані матеріали мають досить високі пластичні властивості.
      Ударна в'язкість за Шарпі з надрізом σуд для наповнених композицій істотно нижче, ніж для вихідного поліпропілену, тільки при високому ступені наповнення має місце невелике зростання цього показника. З іншого боку, ударна в'язкість за Шарпі без надрізу σуд’ з ростом вмісту наповнювача до 15 мас. % у випадку апретування зростає приблизно в 1,5 рази стосовно вихідного поліпропілену, а далі – знижується (рисунок 3). Для неапретованого варіанта спостерігається тільки зниження цього показника до рівня 2 кДж/м2.
      Міцність при статичному згині σзг (рисунок 4) з ростом вмісту наповнювача зростає, досягаючи при 20 мас.% тканого наповнювача 8,7 МПа, а для вихідного поліпропілену – 6 МПа. 

 


Рисунок 4 - Залежність напруження при згині ?зг композиційних матеріалів від вмісту, природи та апретування наповнювача

 


Рисунок 5 - Залежність ступеня набрякання w композиційних матеріалів від вмісту, природи та апретування наповнювача
     
      Також істотну перевагу дає апретування для розглянутої системи стосовно до ступеня набрякання у воді w (рисунок 5). Закономірним є погіршення даного показника для композицій, що включають наповнювач зі змістом 35 мас. % гідрофільних волокон (бавовна). Однак гідрофобізація поверхні волокон апретом приводить до різкого зниження цього показника – приблизно в 3 рази в порівнянні з вихідним поліпропіленом при граничному ступені наповнення.

 

Висновки
      Аналіз отриманих результатів досліджень підтверджує принципову можливість одержання на основі поліпропілену й дискретних тканих наповнювачів різної природи композиційних матеріалів методом черв'ячно-дискової екструзії з наступною переробкою їх у вироби литтям під тиском із задовільними фізико-механічними властивостями.
      Показано, що попереднє апретування наповнювача дозволяє значно підвищити граничний ступінь наповнення й забезпечити істотне зростання таких властивостей як ударна в'язкість без надрізу, міцність при статичному згині й зниження ступеня набрякання у воді.
      З огляду на можливість застосування у великій кількості (до 20 мас. %) дуже дешевого тканого наповнювача, що у такий спосіб утилізується, подібні композити можуть знайти різні галузі застосування як матеріали конструкційного призначення.

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1.Пахаренко В.А., Яковлева Р.А., Пахаренко А.В. Переработка полимерних композиционних материалов. - К.: Изд. компания «Воля», 2006 - 552 с.
2.Суберляк О.В., Баштаник П.І. Технологія переробки полімерних та композиційних матеріалів. Підручник. - Львів : Видавництво «Растр-7», 2007. - 376 с.
3.А.с. 2105317 СССР., МКИ В 29 F 3/12. Червячно-дисковий экструдер /Н.К. Жук, В.А. Кочеров, Э.О. Спорягин і ін. (СССР). - № 2105317; Заявлено 27.11.74; Опубл. 25.05.76, Бюл. №19. - 4 с.
4.Трофимов Н.Н., Канович М.З. Основы создания полимерных композитов. М.: Наука,1999.- 539с.
5.Физика композиционных материалов; в 2-х томах /Трофимов Н.Н., Канович М.З., Карташов Э.М. и др. /Под ред. Н.Н.Трофимова, т.1, М.: Мир, 2005. - 450 с.
6.Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Лабиринт, 1994.-368 с.

Суровцев О.Б., Спорягін Є.О. (Україна, Дніпропетровськ)
Технологія утилізації тканих матеріалів шляхом утворення композиційних полімерних матеріалів
Збірник матеріалів ІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю
Скачати в форматі pdf:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/2vze/zb_m/0016_zb_m_2VZE.pdf 

Оцінка: 
0
No votes yet