28.01.2025
Компатибилизаторы для рециклинга многослойной барьерной упаковки
Одним из ключевых направлений российской экологической повестки на ближайшую перспективу является переход к экономике замкнутого цикла. В контексте данного перехода особую значимость приобретает возможность механической переработки различных видов отходов многослойной барьерной упаковки, которые на сегодняшний момент занимают значительную долю в структуре бытовых и производственных полимерных отходов.
Использование в качестве упаковочного материала многослойных барьерных структур при всех своих очевидных плюсах имеет один ключевой недостаток, заключающейся в сложности их вторичной переработки.
Рынок отходов барьерной упаковки
Доля полимерных отходов в общем объеме твердых коммунальных отходов (ТКО) на данный момент составляет примерно 5 млн т/год, из них перерабатывается порядка 13%, сжигается 2%, а все остальное захоранивается на полигонах (рис. 1). Из них, по данным аналитических исследований, доля неперерабатываемых отходов полимерной многослойной барьерной упаковки составляет порядка 250-300 тыс. т/год.
Исходя из идеализированного жизненного цикла многослойной барьерной упаковки в процессе ее производства и использования образуется два типа отходов: постиндустриальные и постпотребительские отходы (рис. 2).
Постиндустриальные отходы поступают с заводов-производителей многослойной барьерной упаковки и упаковочных предприятий и представляют собой брак, обрезь кромки, отходы, образующиеся при переналадке. Данный тип отходов должен подвергаться механическому рециклингу либо непосредственно на предприятии-изготовителе, либо на специализированном комплексе, осуществляющем механический рециклинг, однако этого не происходит, и отходы зачастую просто подвергаются захоронению.
Постпотребительские отходы — это отходы упаковки, бывшей в употреблении. Одной из основных проблем для данного типа отходов помимо многокомпонентного состава является недостаточная инфраструктура для их сбора
и сортировки. Многие регионы России пока не имеют развитой системы раздельного сбора мусора, что затрудняет доступ к качественным сырьевым ресурсам для переработчиков.
Однако, несмотря на существующие трудности, перспективы рынка переработки отходов многослойной барьерной упаковки остаются положительными. Одной из ключевых тенденций является усиление государственного регулирования в области обращения с отходами. Введение расширенной ответственности производителя (РОП), которая обязывает компании либо самостоятельно утилизировать упаковку, либо оплачивать услуги по ее переработке, стимулирует развитие инфраструктуры для сбора и переработки полимерных отходов со сложным смесевым составом.
Механический рециклинг отходов барьерной упаковки
Наиболее перспективным способом переработки постиндустриальных и отсортированных постпотребительских отходов многослойных барьерных упаковочных материалов является процесс механического рециклинга.
Основной проблемой технологии механического рециклинга многослойных полимерных отходов является наличие в их составе термодинамически несовместимых полимеров.
При механической переработке данных смесей наблюдается узкая граница раздела фаз и слабая межфазная адгезия, приводящая к образованию доменов дисперсной фазы барьерного полимера (ПА, EVOH) в дисперсионной среде полиолефина. Микрофотографии термодинамически несовместимой смеси ПЭ/ПА показана на рис. 3. Анализ покомпонентного состава многослойных барьерных структур подтверждает, что в данных смесях присутствует более 10% масс ПА или его смесей с EVOH.
Различные температуры плавления и вязкости расплава полимеров, входящих в состав гетерофазной смеси, создают следующие дополнительные проблемы во время регрануляции и производства готового продукта из полученной гранулы:
— термодинамическая неоднородность потока расплава;
— неконтролируемый саморазогрев по зонам цилиндра экструдера;
— нестабильность ПТР у материала внутри партии;
— возникновение пористости гранулы;
— ухудшение физико-механических характеристик конечного регранулята;
— появление дефектов на поверхности готового изделия, полученного из вторичной гранулы.
Таким образом, можно сказать о том, что на выходе получается вторичная гранула с неудовлетворительными реологическими и физико-механическими характеристиками, что существенно затрудняет ее применение при производстве конечных изделий.
Исходя из выводов, сделанных на основе результатов зарубежного исследования [1], и учитывая имеющийся в настоящее время уровень технологий переработки, для совместимости разнородных полимерных матриц ПЭ и ПА (EVOH) между собой при переработке смесевых отходов необходимо вводить агенты совместимости или компатибилизаторы, содержащие привитые функциональные группы. Полученный таким образом регранулят обладает удовлетворительными реологическими, физико-химическими и технологическими свойствами.
Функциональное действие компатибилизаторов
Основное функциональное действие компатибилизаторов состоит в улучшении адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер/полимер» в термодинамически ограниченно совместимых и несовместимых многокомпонентных полимерных смесях.
В качестве компатибилизаторов при переработке отходов многослойной упаковки с барьерными слоями из ПА и EVOH могут выступать различные полимеры и сополимеры этилена, привитые малеиновым ангидридом.
Микрофотографии термодинамически несовместимой смеси ПЭ/ПА без использования компатибилизатора и с добавлением 5% компатибилизатора показана на рис. 4.
Для механического рециклинга многослойных упаковочных материалов с барьерными слоями ПЭ/EVOH компания «Окапол» разработала решение, состоящее из продуктов OKABOND 4210-111 и OKABOND 3250-210. ОKABOND 4210-111 — линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), модифицированный малеиновым ангидридом. OKABOND 3250-210 — сополимер этилена и альфа-олефинового сомономера (POE), модифицированный малеиновым ангидридом (табл. 1). Компатибилизаторы вводятся в дозировке от 2 до 5% масс в зависимости от типа и концентрации ПА или EVOH в смеси.
С одной стороны, привитые функциональные группы малеинового ангидрида взаимодействуют с концевыми аминными группами ПА или гидроксильными группами EVOH c образованием прочных ковалентных связей на границе раздела фаз, с другой стороны, полиолефиновая часть компатибилизатора взаимодействует с полимерными цепями полиолефиновой матрицы, образуя физические связи.
Данный механизм позволяет улучшить распределение дисперсной фазы ПА или EVOH в матричной фазе ПЭ за счет уменьшения размера доменов ПА или EVOH и получить относительно гомогенную смесь со стабильной морфологией, улучшенными механическими, реологическими и физико-химических свойствами.
Механизм взаимодействия функциональных групп компатибилизатора и концевых групп ПА и EVOH показан на рис. 5 и 6.
Полученный с использованием компатибилизаторов регранулят помимо высоких физико-химических характеристик обладает хорошей технологичностью в процессе переработки на различных типах экструзионного и литьевого оборудования и может использоваться в качестве 100% сырья или в смеси с первичным полимером для производства различной тары, пленок, листов и профильно-погонажных изделий, а также литьевой продукции.
Таким образом, использование компатибилизаторов при механической переработке отходов многослойной барьерной упаковки открывает новые возможности для повышения эффективности процесса переработки и улучшения качественных показателей вторичной гранулы и полученной из нее конечной продукции. Это решение выгодно не только в плане повышения рентабельности производства, но и экологически обосновано, поскольку способствует сокращению объемов неперерабатываемых многослойных полимерных отходов в рамках продвижения принципов экономики замкнутого цикла.
Посмотреть в журнале
Андрей АНТОНОВ, технический
специалист ООО «ОКАПОЛ»
Основным ограничителем срока годности для большинства упакованных в полимерную упаковку пищевых продуктов является воздействие кислорода воздуха, то есть процессы окисления. Для решения данной задачи в пищевой промышленности все более широко используется многослойная барьерная упаковка. В качестве слоев, придающих упаковке необходимые механические свойства, используются различные марки полиолефинов. В качестве барьерных слоев используются полиамид (ПА), сополимер этилвинилового спирта (EVOH, СЭВС), полиэтилентерефталат (ПЭТ) или их комбинации. Полученные с использованием различных методов соэкструзии многослойные барьерные структуры обладают пониженной газопроницаемостью в зависимости от типа барьерного слоя (по кислороду, углекислому газу, азоту), а также являются эффективным барьером для влаги и запахов.
Использование в качестве упаковочного материала многослойных барьерных структур при всех своих очевидных плюсах имеет один ключевой недостаток, заключающейся в сложности их вторичной переработки.
Рынок отходов барьерной упаковки
Доля полимерных отходов в общем объеме твердых коммунальных отходов (ТКО) на данный момент составляет примерно 5 млн т/год, из них перерабатывается порядка 13%, сжигается 2%, а все остальное захоранивается на полигонах (рис. 1). Из них, по данным аналитических исследований, доля неперерабатываемых отходов полимерной многослойной барьерной упаковки составляет порядка 250-300 тыс. т/год.
Исходя из идеализированного жизненного цикла многослойной барьерной упаковки в процессе ее производства и использования образуется два типа отходов: постиндустриальные и постпотребительские отходы (рис. 2).
Постиндустриальные отходы поступают с заводов-производителей многослойной барьерной упаковки и упаковочных предприятий и представляют собой брак, обрезь кромки, отходы, образующиеся при переналадке. Данный тип отходов должен подвергаться механическому рециклингу либо непосредственно на предприятии-изготовителе, либо на специализированном комплексе, осуществляющем механический рециклинг, однако этого не происходит, и отходы зачастую просто подвергаются захоронению.
Постпотребительские отходы — это отходы упаковки, бывшей в употреблении. Одной из основных проблем для данного типа отходов помимо многокомпонентного состава является недостаточная инфраструктура для их сбора
и сортировки. Многие регионы России пока не имеют развитой системы раздельного сбора мусора, что затрудняет доступ к качественным сырьевым ресурсам для переработчиков.
Однако, несмотря на существующие трудности, перспективы рынка переработки отходов многослойной барьерной упаковки остаются положительными. Одной из ключевых тенденций является усиление государственного регулирования в области обращения с отходами. Введение расширенной ответственности производителя (РОП), которая обязывает компании либо самостоятельно утилизировать упаковку, либо оплачивать услуги по ее переработке, стимулирует развитие инфраструктуры для сбора и переработки полимерных отходов со сложным смесевым составом.
Механический рециклинг отходов барьерной упаковки
Наиболее перспективным способом переработки постиндустриальных и отсортированных постпотребительских отходов многослойных барьерных упаковочных материалов является процесс механического рециклинга.
Основной проблемой технологии механического рециклинга многослойных полимерных отходов является наличие в их составе термодинамически несовместимых полимеров.
При механической переработке данных смесей наблюдается узкая граница раздела фаз и слабая межфазная адгезия, приводящая к образованию доменов дисперсной фазы барьерного полимера (ПА, EVOH) в дисперсионной среде полиолефина. Микрофотографии термодинамически несовместимой смеси ПЭ/ПА показана на рис. 3. Анализ покомпонентного состава многослойных барьерных структур подтверждает, что в данных смесях присутствует более 10% масс ПА или его смесей с EVOH.
Различные температуры плавления и вязкости расплава полимеров, входящих в состав гетерофазной смеси, создают следующие дополнительные проблемы во время регрануляции и производства готового продукта из полученной гранулы:
— термодинамическая неоднородность потока расплава;
— неконтролируемый саморазогрев по зонам цилиндра экструдера;
— нестабильность ПТР у материала внутри партии;
— возникновение пористости гранулы;
— ухудшение физико-механических характеристик конечного регранулята;
— появление дефектов на поверхности готового изделия, полученного из вторичной гранулы.
Таким образом, можно сказать о том, что на выходе получается вторичная гранула с неудовлетворительными реологическими и физико-механическими характеристиками, что существенно затрудняет ее применение при производстве конечных изделий.
Исходя из выводов, сделанных на основе результатов зарубежного исследования [1], и учитывая имеющийся в настоящее время уровень технологий переработки, для совместимости разнородных полимерных матриц ПЭ и ПА (EVOH) между собой при переработке смесевых отходов необходимо вводить агенты совместимости или компатибилизаторы, содержащие привитые функциональные группы. Полученный таким образом регранулят обладает удовлетворительными реологическими, физико-химическими и технологическими свойствами.
Функциональное действие компатибилизаторов
Основное функциональное действие компатибилизаторов состоит в улучшении адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер/полимер» в термодинамически ограниченно совместимых и несовместимых многокомпонентных полимерных смесях.
В качестве компатибилизаторов при переработке отходов многослойной упаковки с барьерными слоями из ПА и EVOH могут выступать различные полимеры и сополимеры этилена, привитые малеиновым ангидридом.
Микрофотографии термодинамически несовместимой смеси ПЭ/ПА без использования компатибилизатора и с добавлением 5% компатибилизатора показана на рис. 4.
Для механического рециклинга многослойных упаковочных материалов с барьерными слоями ПЭ/EVOH компания «Окапол» разработала решение, состоящее из продуктов OKABOND 4210-111 и OKABOND 3250-210. ОKABOND 4210-111 — линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), модифицированный малеиновым ангидридом. OKABOND 3250-210 — сополимер этилена и альфа-олефинового сомономера (POE), модифицированный малеиновым ангидридом (табл. 1). Компатибилизаторы вводятся в дозировке от 2 до 5% масс в зависимости от типа и концентрации ПА или EVOH в смеси.
С одной стороны, привитые функциональные группы малеинового ангидрида взаимодействуют с концевыми аминными группами ПА или гидроксильными группами EVOH c образованием прочных ковалентных связей на границе раздела фаз, с другой стороны, полиолефиновая часть компатибилизатора взаимодействует с полимерными цепями полиолефиновой матрицы, образуя физические связи.
Данный механизм позволяет улучшить распределение дисперсной фазы ПА или EVOH в матричной фазе ПЭ за счет уменьшения размера доменов ПА или EVOH и получить относительно гомогенную смесь со стабильной морфологией, улучшенными механическими, реологическими и физико-химических свойствами.
Механизм взаимодействия функциональных групп компатибилизатора и концевых групп ПА и EVOH показан на рис. 5 и 6.
Полученный с использованием компатибилизаторов регранулят помимо высоких физико-химических характеристик обладает хорошей технологичностью в процессе переработки на различных типах экструзионного и литьевого оборудования и может использоваться в качестве 100% сырья или в смеси с первичным полимером для производства различной тары, пленок, листов и профильно-погонажных изделий, а также литьевой продукции.
Таким образом, использование компатибилизаторов при механической переработке отходов многослойной барьерной упаковки открывает новые возможности для повышения эффективности процесса переработки и улучшения качественных показателей вторичной гранулы и полученной из нее конечной продукции. Это решение выгодно не только в плане повышения рентабельности производства, но и экологически обосновано, поскольку способствует сокращению объемов неперерабатываемых многослойных полимерных отходов в рамках продвижения принципов экономики замкнутого цикла.
Посмотреть в журнале