Технології переробки багатокомпонентних відходів полімерних композитів методом лиття під тиском

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-прикладної проблеми в галузі виробництва виробів з пластмас, пов'язаної з необхідністю переробки багатокомпонентних сумішей відходів полімерних композиційних матеріалів за відсутності науково-обґрунтованої валідованої технології. Актуальність роботи обумовлена необхідністю поліпшення експлуатаційних властивостей пластикових деталей автомобілів та необхідністю зменшення обсягу відходів багатокомпонентних полімерних композиційних матеріалів шляхом розробки науково-обґрунтованої валідованої технології їх переробки методом лиття під тиском із збереженням основних властивостей виробів, показників ефективності виробництва. Це відкриває нові можливості для розробки та вдосконалення технологій переробки полімерів із покращеними показниками продуктивності, якості та фінансової ефективності, що сприяє позитивному впливу на екологічні аспекти. Метою роботи є розробка технології переробки багатокомпонентних відходів полімерних композитів методом лиття під тиском без їх попереднього розділення та розробка технології переробки полімерів для превентивного зменшення їх відходів. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання: теоретичні дослідження фізико-хімічних особливостей процесу лиття пластмас під тиском та переробки утворених багатокомпонентних полімерних відходів; визначення впливу вмісту відходів РА6GF30/РС (Durethan BKV 30 H 3.0 – поліамід 6, Makrolon 2405 white – полікарбонат) у складі суміші на реологічні властивості шляхом проведення вимірів показника текучості розплаву (MVR) відповідно до ISO 1133, фізико-механічні властивості шляхом визначення експериментальної густини та міцності при стисненні полімерних композиційних матеріалів за ISO 604 та морфологію багатокомпонентних відходів полімерних композиційних матеріалів РА6GF30/РС методом оптичної поляризованої мікроскопії; визначення впливу складу суміші відходів полімерних композиційних матеріалів РА6GF30 та РС у співвідношенні 90/10% мас. на основні технологічні параметри процесу лиття пластмас під тиском та на його стабільність; вдосконалення технології отримання сировини з суміші відходів полімерних композиційних матеріалів співполімер акрилонітрил-бутадієн-стирол і полікарбонат (ABS/PC - "Bayblend T65XF") та РА6GF30/РС для подальшої переробки методом лиття під тиском шляхом розроблення концепції додаткового мобільного пристосуівання до литтєвої машини; розробка технології повторної переробки ABS/PC на основі дослідження механічних властивостей шляхом виміру сили зламу деталей отриманих методом лиття під тиском; превентивне зменшення відходів шляхом поліпшення технології переробки поліаміду 12 (РА12 - "RTP-299EX146375S-806906TRANSBLACK") методом лиття під тиском через регулювання експлуатаційних характеристик; розробка системного підходу до валідації та управління процесом переробки сумішей вторинних полімерних мультикомпонентних композиційних матеріалів методом лиття пластмас під тиском на основі міжнародних стандартів ISO9001, IATF16949, VDA6.3 за допомогою імплементації аспектів ощадливого виробництва; обґрунтування економічної доцільності впровадження технологій повторної переробки багатокомпонентних відходів полімерних композитів литтям під тиском шляхом оцінки фінансової ефективності. Об’єкт дослідження: процес лиття сумішей полімерів з додаванням багатокомпонентних відходів. Предмет дослідження: технології переробки багатокомпонентних відходів методом лиття пластмас під тиском. Наукова новизна роботи полягає у встановленні на основі системних досліджень закономірностей фізико-хімічних перетворень в процесі переробки багатокомпонентних відходів РА6GF30/РС залежно від складу суміші. Розроблено системний науково-обґрунтований підхід до регулювання експлуатаційних характеристик полімерних матеріалів шляхом розробки технології їх переробки та до валідації процесу переробки багатокомпонентних відходів полімерних композиційних матеріалів. При цьому вперше показано, що за переважаючого вмісту склонаповненого поліаміду (РА) в суміші РА6GF30/РС ймовірно відбувається часткова кополімеризація в результаті хімічної взаємодії з полікарбонатом (РС). Вірогідно, у випадку застосування склонаповненого РА в суміші з РС саме частки скло-наповнювача виконують функцію своєрідного компатибілізатора. Вище значення показника текучості розплаву (MVR) і менша густина утвореного продукту може свідчити про нижчий ступінь кристалічності. Це дозволяє переробляти суміш не підвищуючи температуру без погіршення механічних властивостей. Визначено, що за переважаючого вмісту полікарбонату в полімерній композиції вплив поліаміду нівелюється завдяки явищу інкапсуляції поліаміду в структурі полікарбонату, що чітко видно під час дослідження морфології сумішей. Суміш набуває характеристик полікарбонату, що супроводжуться поступовим підвищенням межі міцності при стисненні. З огляду на результати досліджень, можна рекомендувати до переробки литтям під тиском вторинну суміш РА6GF30/РС за складом 90/10, 80/20, 70/30% мас. За вказаних співвідношень компонентів зберігаються передбачувані фізико-механічні властивості готової продукції у поєднанні із оптимальними режимами переробки лиття під тиском. Під час переробки литтям під тиском багатокомпонентних відходів полімерних композитів РА6GF30/РС за складом 90/10% мас., було встановлено збільшення значення тиску впорскування на 11% та подушки розплаву на 22% для суміші PA6GF30/РС в порівнянні з первинним PA6GF30. При цьому стабільність процесу склала 2,01 та зазнала не значущих змін в сторону зменшення в середньому на 1,63% і знаходиться в допустимих межах для автомобілебудівної промисловості (Cpk≥2,0). Показано збільшення часу сушки на 12,5% та температури сушки на 37,5% для підготовки вторинної суміші PA6GF30/РС до переробки литтям під тиском. Для нівелювання цих втрат рекомендується додавати вторинну суміш PA6GF30/РС до 20% мас. до оригінальної полімерної композиції PA6GF30. Створено концепцію додаткового пристосування до литтєвої машини для отримання гранул із багатокомпонентних сумішей полімерних композитів. Концепт продемонстрував придатність до використання, невеликі габаритні розміри та простоту конструкції, яка здатна до модернізації. Доведено, що сила зламу полімерних деталей з ABS/PC під час переробки литтям під тиском не зазнала значного зменшення при повторному використанні подрібненої сировини, без суттєвих змін параметрів технологічного процесу. Регранульована вторинна полімерна суміш ABS/PC демонструє не значне збільшення сили зламу на ≈ 0,58%. Це в свою чергу доводить можливість отримати ресурсозберігаючу технологію та позитивно вплинути на екологічні аспекти. Рекомендується додавання подрібненої композиції ABS/PC до оригінального полімерного матеріалу до 50% мас., або регранульованої – до 80% мас. Підтверджено, що основними факторами впливу при термообробці полімерів є температура і час перебування полімерної композиції в литтєвій формі. Експериментально доведено покращення експлуатаційних властивостей РА12, а саме стійкості до C2H5OH шляхом збільшення тиску впорскування на 31,4% та температури контурів системи охолодження литтєвої прес-форми на 10,6%, що забезпечило суттєве зростання (на 207,8%) стабільності процесу. Покращення якості деталей за сталих витрат у структурі собівартості виготовлення позитивно впливає на фінансову ефективність, а отже може забезпечити уникнення утворення відходів в процесі експлуатації виробів. Рекомендується проводити валідацію технологічного процесу отримання деталей з РА12 з оцінкою результатів визначення експлуатаційних та хімічних властивостей. Встановлено, що використання системного підходу для менеджменту до вирішення проблем технології переробки багатокомпонентних відходів полімерних композитів має позитивний вплив на ключові показники технологічного процесу. Доведено, що використання основних принципів ощадливого менеджменту (Lean Management) забезпечило покращення показника всезагальної ефективності менеджменту (ОМЕ) в середньому на 64%, що підтверджується зростанням комплексного ключового показника технологічного процесу лиття під тиском всезагальної ефективності обладнання (ОЕЕ) на 2,5% із коефіцієнтом кореляції 0,77. Це сприяє забезпеченню якості, зменшенню браку і частки утворення відходів полімерних матеріалів. Доведена економічна доцільність впровадження технології переробки багатокомпонентних відходів полімерних композитів литтям під тиском шляхом оцінки фінансової ефективності. Встановлено, що додавання вторинної суміші 20% мас. РА6GF30/РС зі складом компонентів 90/10% мас. до оригінального полімерного матеріалу РА6GF30 забезпечує позитивні показники фінансової ефективності, що відповідають встановленим критеріям прийняття рішень. Показано високий рівень чистої поточної вартості NPV на рівні 1413 тис грн, що відповідає межі NPV>0. При цьому період повернення інвестицій (РР) становив 2 місяці, що є меншим за умови РР<18 місяців та прибуток на інвестиції ROI складає 2765,9% при визначеній межі доцільності ROI>230%.

The dissertation is dedicated to the solution of an important scientific and applied problem in the field of production of plastic products, related to the need to process multicomponent mixtures of waste polymer composite materials in the absence of scientifically based and validated technology. The urgency of the work is due to the need to improve the operational properties of plastic parts of autos and the need to reduce the amount of waste of multi-component polymer composite materials by developing a scientifically based and validated technology for their processing by the injection molding while preserving the main properties of the products, indicators of production efficiency. This opens up new opportunities for the development and improvement of polymer processing technologies with improved productivity, quality and financial efficiency, resulting in a positive impact on environmental aspects. The purpose of the work is to develop a technology for processing multi-component waste polymer composites by injection molding without their prior separation and to develop a technology for processing polymers for preventive reduction of their waste. To achieve the goal, the following tasks were solved: theoretical studies of the physico-chemical features of the plastic injection molding process and the processing of the multicomponent polymer waste produced; determination of the influence of the content of PA6GF30/PC waste (Durethan BKV 30 H 3.0 – polyamide 6, Makrolon 2405 white – polycarbonate) in the composition of the mixture on rheological properties by measuring the melt flow rate (MVR) in accordance with ISO 1133, physical and mechanical properties by determining the experimental density and compressive strength of polymer composite materials according to ISO 604 and morphology of multicomponent waste of polymer composite materials PA6GF30/PC by optical polarized microscopy; determination of the influence of the composition of the mixture of waste polymer composite materials PA6GF30 and PC in the ratio of 90/10% wt. on the main technological parameters of the injection molding process and its capability; improvement of the technology of obtaining raw materials from a mixture of waste polymer composite materials copolymer acrylonitrile-butadiene-styrene and polycarbonate (ABS/PC - "Bayblend T65XF") and РА6GF30/РС for further processing by injection molding by developing the concept of additional mobile adaptation to the injection molding machine; development of ABS/PC recycling technology based on the study of mechanical properties by measuring the fracture strength of parts obtained by the injection molding method; preventive reduction of waste by improving the processing technology of polyamide 12 (РА12 - "RTP-299EX146375S-806906TRANSBLACK") by the injection molding method through the regulation of performance characteristics; development of a systematic approach to the validation and management of the process of processing mixtures of secondary polymer multicomponent composite materials by the injection molding based on international standards ISO9001, IATF16949, VDA6.3 with the help of implementation of Lean production aspects; substantiating the economic feasibility of implementing technologies for the recycling of multi-component waste polymer composites by injection molding by evaluating financial efficiency. The object of research: the injection molding of polymer mixtures with the addition of multicomponent waste. The subject of the study: technologies for processing multicomponent waste by the method of injection molding. The scientific novelty of the work consists in establishing, on the basis of systematic studies, the regularities of physico-chemical transformations in the process of processing multi-component waste PA6GF30/PC depending on the composition of the mixture. A systematic science-based approach to regulating the performance characteristics of polymer materials by developing a technology for their processing and to validating the process of processing multi-component waste polymer composite materials has been developed. At the same time, it was shown for the first time that partial copolymerization probably occurs as a result of chemical interaction with polycarbonate (PC) with a predominant content of inclined polyamide (PA) in the PA6GF30/PC mixture. Probably, in the case of the use of inclined PA in a mixture with PC, it is the particles of the glass filler that perform the function of a kind of compatibilizer. A higher melt flow rate (MVR) value and a lower density of the product formed may indicate a lower degree of crystallinity. This allows processing the mixture without increasing the temperature without deterioration of mechanical properties. It was determined that with a predominant content of polycarbonate in the polymer composition, the influence of polyamide is leveled due to the phenomenon of polyamide encapsulation in the structure of polycarbonate, which is clearly visible during the study of the morphology of the mixtures. The mixture acquires the characteristics of polycarbonate, accompanied by a gradual increase in compressive strength. Based on the results of the research, it is possible to recommend the secondary mixture PA6GF30/PC with a composition of 90/10, 80/20, 70/30% wt. for processing by injection molding. Given the specified ratio of components, the expected physical and mechanical properties of the finished products are preserved in combination with the optimal processing modes of injection molding. During the injection molding processing of multi-component waste polymer composites PA6GF30/PC with a composition of 90/10% wt., an increase in the value of injection pressure by 11% and melt cushion by 22% was established for the PA6GF30/PC mixture in comparison with the original PA6GF30. At the same time, the capability of the process was 2.01 and underwent insignificant changes in the downward direction by an average of 1.63% and is within the acceptable limits for the automotive industry (Cpk≥2.0). An increase in drying time by 12.5% and drying temperature by 37.5% was shown for the preparation of secondary mixture PA6GF30/PC for injection molding. To level these losses, it is recommended to add a secondary mixture of PA6GF30/PC up to 20% wt. to the original PA6GF30 polymer composition. The concept of additional adjustment to the injection molding machine for obtaining granules from multicomponent mixtures of polymer composites was created. The concept demonstrated usability, small overall dimensions and simplicity of design, which is capable of modernization. It has been proven that the fracture strength of polymer parts from ABS/PC during injection molding processing did not undergo a significant decrease when the crushed raw materials were reused, without significant changes in the parameters of the technological process. The regranulated secondary ABS/PC polymer blend shows a slight increase in fracture strength by ≈ 0.58%. This, in turn, proves the possibility of obtaining resource-saving technology and positively influencing environmental aspects. It is recommended to add crushed ABS/PC composition to the original polymer material up to 50% wt., or regranulated – up to 80% wt. It has been confirmed that the main influencing factors during the heat treatment of polymers are the temperature and the time the polymer composition remains in the injection molding tool. It was experimentally proven that the performance properties of PA12, namely resistance to C 2 H 5 OH, were improved by increasing the injection pressure by 31.4% and the temperature of the cooling system of the injection molding tool by 10.6%, which ensured a significant increase (by 207.8%) in the capability of the process. Improving the quality of parts at fixed costs in the structure of the cost of production has a positive effect on financial efficiency, and therefore can ensure the avoidance of waste generation during the operation of products. It is recommended to carry out validation of the technological process of obtaining parts from PA12 with an evaluation of the results of determining the operational and chemical properties. It was established that the use of a system approach for management to solve the problems of the processing technology of multi-component waste polymer composites has a positive effect on the key indicators of the technological process. It is proven that the use of the main principles of Lean Management provided an improvement in the indicator of overall management efficiency (OME) by an average of 64%, which is confirmed by the growth of the complex key indicator of the technological process of injection molding of overall equipment efficiency (OEE) by 2.5% from with a correlation coefficient of 0.77. This contributes to ensuring quality, reducing defects and the share of polymer waste generation. The economic feasibility of implementing the technology of processing multicomponent waste polymer composites by injection molding has been proven by evaluating the financial efficiency. It was established that the addition of a secondary mixture of 20% wt. PA6GF30/PC with a composition of components 90/10% wt. to the original polymer material PA6GF30 provides positive indicators of financial efficiency that meet the established decision-making criteria. The high level of net present value of NPV is shown at the level of UAH 1,413,000, which corresponds to the limit of NPV>0. At the same time, the return period of investment (PP) was 2 months, which is less than the PP condition of <18 months, and the return on investment ROI is 2765.9% at the defined feasibility limit of ROI>230%.