Technologia zagospodarowania odpadów PET do wysokoudarowego tworzywa konstrukcyjnego

Technologia zagospodarowania odpadów PET do wysokoudarowego tworzywa konstrukcyjnego była jednym z zagadnień omawianych podczas niedawnej środkowo-europejskiej konferencji poświęconej recyklingowi i odzyskowi materiałów polimerowych.

Konferencja odbyła się w Międzyzdrojach, a jej organizatorem była Politechnika Szczecińska. Podczas jej trwania zaprezentowano m.in. efekty prac finansowanych z projektu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na lata 2007 - 2009. Projekt realizują naukowcy z Instytutu Inżynierii Materiałowej Politechniki Szczecińskiej: Konrad Kwiatkowski, Elżbieta Senderek, Zbigniew Rosłaniec. Zakres prac dotyczy właśnie opracowania technologii zagospodarowania odpadów PET do wysokoudarowego tworzywa konstrukcyjnego.

W wyniku wzrostu produkcji polimerów m.in. tworzywa PET powstaje problem recyklingu ich odpadów. Problem ten rozwiązuje się najczęściej poprzez selektywną zbiórkę poużytkowego PET, który można przetworzyć ponownie na drodze recyklingu materiałowego lub chemicznego. Jednym z rodzajów recyklingu znajdującego się na pograniczu recyklingu chemicznego i materiałowego jest wytwarzanie mieszanin polimerowych poprzez reaktywne mieszanie.

Chodzi to o proces mieszania, podczas którego między składnikami polimerowymi zachodzi reakcja chemiczna, dzięki czemu otrzymujemy zmodyfikowany chemicznie recyklat, który może wykazywać lepsze wybrane właściwości mechaniczne w stosunku do materiału pierwotnego. Celowe zatem stają się badania wpływu warunków otrzymywania i składu mieszanin modyfikowanych chemicznie na wybrane właściwości otrzymanych materiałów.

Wymagania dotyczące właściwości uzyskanych materiałów są ściśle uzależnione od dziedziny wykorzystania. PET jest materiałem, który charakteryzuje się dużym, jak na tworzywa sztuczne, modułem sprężystości i wytrzymałością na rozciąganie. Jego wadą jest natomiast niezadowalająca udarność wyrobów, zwłaszcza jeśli materiał posiada uprzywilejowaną strukturę krystaliczną. Ta cecha ogranicza niektóre potencjalne zastosowania jego recyklatów. Celowe zatem jest przeprowadzenie badań nad możliwością modyfikacji tego materiału w celu zwiększenia jego udarności.

Zwiększenie udarności PET można uzyskać dwiema metodami: albo poprzez dodatek napełniacza wzmacniającego - najczęściej ciętego włókna szklanego, albo wytwarzając mieszaniny PET/elastomer.

Wytwarzanie mieszanin z elastomerami może doprowadzić do uzyskania wysokoudarowych mieszanin o nieznacznie zmniejszonym module sprężystości w stosunku do homopolimeru PET, a także do niskomodułowych mieszanin o charakterystyce zbliżonej do elastomerów.

Pierwszym rodzajem materiałów są kompatybilne mieszaniny PET/elastomer, zawierające niewielki dodatek elastomeru, przeważnie nie przekraczający 15 proc. wagi, natomiast drugi rodzaj materiałów uzyskuje się jeśli przeważającą fazą jest elastomer.

Oznacza to, że zwiększenie udarności materiału poprzez dodatek polimerów o niskiej temperaturze zeszklenia powoduje jednocześnie spadek modułu sprężystości i wytrzymałości na rozciąganie. Dlatego niezmiernie ważne jest, aby podczas modyfikacji uzyskać kompromis pomiędzy zwiększeniem udarności a spadkiem wytrzymałości.

Stąd też tak ważne jest, aby doprowadzić do otrzymania wysokoudarowego materiału na bazie odpadowego PET, który nie będzie krucho pękał w temperaturze pokojowej przy jednoczesnym zachowaniu możliwie wysokich parametrów wytrzymałościowych.

Jak to zrobić?

Zespół z Politechniki Szczecińskiej do wytworzenia mieszanin zastosował przemiał PET uzyskany z rozdrobnienia poużytkowych butelek. Wybrano różnokolorowe butelki PET uprzednio pozbawiając je etykiet oraz nakrętek. Przemiał był myty i suszony przed umieszczeniem w mieszalniku.

Jako modyfikatora użyto polioksytetrametylenu (PTMO) o ciężarze cząsteczkowym 1000 g/mol (Theratan 1000, Du Pont). Przemiał PET i niewielką ilość glikolu etylenowego umieszczano w mieszalniku i ogrzewano do 260 st. C pod ciśnieniem azotu 0,5 MPa. Zawartość mieszano w tej temperaturze przez blisko 5 minut. Następnie dodawano odpowiednią ilość PTMO wraz ze stabilizatorem Irganox 1010.

Nie stosowano żadnych katalizatorów, gdyż rezydencjalnie zawarte są one już w przemiale komercyjnych butelek PET. Zawartość mieszano dalej w tej temperaturze zmniejszając ciśnienie do wartości ok. 0,5-1 hPa. Proces trwał od 1 do 1,5 godz., aż do uzyskania odpowiedniej lepkości stopionego polimeru. Następnie zawartość mieszalnika wytłaczano jako żyłkę i cięto na granulat przeznaczony dalej do przetwórstwa wytryskowego.

W efekcie więc wykonano mieszaniny PET o zawartości wagowej segmentów PTMO, kolejno: 5, 10, 15 i 20 proc. Przygotowane granulaty suszono, a następnie metodą wtryskiwania wykonano próbki do oznaczania udarności oraz wytrzymałości na rozciąganie.

Jakie były wyniki tej operacji?

Zgodnie z przewidywaniami modyfikacja PET poprzez reaktywne zmieszanie z PTMO, który wykazuje temperaturę zeszklenia ok. - 90 st. C spowodowała wzrost udarności wykonanych mieszanin. Poprzez degradację PET, a następnie zmieszanie z poliglikolem jakim jest PTMO, w warunkach niskiego ciśnienia, nastąpiło wbudowanie segmentów PTMO do łańcuchów PET. Ze względu na niskie Tg polioksytetrametylenu łańcuchy tego składnika wykazują w temperaturze pokojowej bardzo dużą ruchliwość, co umożliwia przenoszenie naprężeń bez utraty ciągłości materiału.

Przy zawartość PTMO równej 20 proc. wagi materiał nie wykazuje pękania w temperaturze pokojowej. Moduł sprężystości wzdłużnej E oraz maksymalne naprężenie rozciągające zmniejszały się wraz ze wzrostem zawartość składnika modyfikującego PTMO. Materiał o zawartości PTMO 20 proc., który nie wykazywał pękania, zanotował spadek modułu sprężystości o ok. 54 proc.

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, Że mieszanina reaktywna poużytkowego PET zawierająca 10 proc. wagi PTMO zachowuje kompromis pomiędzy uzyskanym wzrostem udarności i spadkiem E oraz Rm.

Materiał taki może być z powodzeniem wykorzystany np. w przemyśle meblarskim jako tańszy substytut stosowanych tam polimerów, które muszą charakteryzować się wysoką udarnością i wytrzymałością. W dobie powszechności i dostępność komercyjnych poużytkowych przemiałów i regranulatów butelek PET, przedstawiona technologia może okazać się doskonałym rozwiązaniem.