Современная индустрия переработки отходов стала неотъемлемой частью устойчивого развития общества. Использование вторичного сырья позволяет значительно снизить нагрузку на окружающую среду, уменьшить потребление природных ресурсов и сократить выбросы парниковых газов. Однако разработка изделий из переработанных пластиков требует особого подхода к проектированию и производству. Дизайн таких продуктов должен учитывать специфические свойства вторичных материалов, обеспечивать высокое качество конечного изделия и соответствовать требованиям экологичности и безопасности.
Свойства вторичных полимеров
Отличие свойств вторичных полимеров от первичных могут быть вызваны двумя следующими основными группами факторов:
— изменение химической структуры и морфологии полимера и добавок при их наличии;
— наличие внешних компонентов (загрязнений), появление которых вызвано условиями хранения, эксплуатации, утилизации и вторичной переработки.
В процессе производства изделий из пластмасс и их дальнейшей эксплуатации полимер подвергается воздействию различных факторов, приводящих к изменению его химической структуры и морфологии. Характеристикой их влияния в общем случае является энергия, которая может проявляться в различных формах: УФ-излучение, радиация в широком смысле слова, теплота, акустический сигнал, электромагнитные поля и даже в виде механического воздействия (например, вибрация). Если количество энергии, привнесенное извне, выше энергии связи в месте ее приложения, появляется высокая степень риска разрушения полимерной цепи. Далее процесс деструкции может продолжаться в нескольких направлениях одновременно: разрыв цепей с уменьшением средней длины макромолекулы и с образованием низкомолекулярных «осколков» и образование сетчатых сшитых структур.
Снижение средней длины макромолекулы при деструкции и сшивка цепей приводит к изменению прочностных, декоративных и эксплуатационных свойств полимера. При этом механические показатели могут меняться разнонаправленно в зависимости от преобладания одного из двух указанных механизмов: при разрушении цепей будет падать прочность и упругие свойства, при сшивке — повышаться жесткость и снижаться эластичность. Кроме того, в этом кроется одна из причин нестабильности и неравномерности проявления свойств вторичных полимеров.
Внешние загрязнения появляются в материале на всех стадиях его жизненного цикла: при производстве первичного изделия, его хранении и транспортировке, дальнейшей эксплуатации, утилизации и подготовке к вторичному применению. Типичными представителями таких материалов являются не пластиковые составляющие (бумага, клей, металлы, стекло) и полимеры других типов. В общем загрязнения обеих групп не могут быть переработаны в новое изделие без каких-либо остаточных последствий при параметрах технологии производства этого продукта. Кроме того, в ряде случае такие внешние компоненты могут являться катализаторами дальнейшего разрушения базового полимера в смеси.
Таким образом, видится практически невозможным сохранение совокупности всех свойств вторичного полимера на уровне первичного. Отдельные методы, например использование стабилизаторов, могут снизить степень или скорость разрушения полимера, но не могут его полностью предотвратить. Кроме этого, даже в этом случае во вторичном материале увеличивается размах свойств внутри одной партии. Модификация вторичных полимеров при помощи добавок и/или наполнителей позволяет получить новый класс материалов, но такие технологии не устраняют недостатки вторичного полимера, а лишь компенсируют или маскируют их.
Отличие свойств вторичных полимеров от первичных могут быть вызваны двумя следующими основными группами факторов:
— изменение химической структуры и морфологии полимера и добавок при их наличии;
— наличие внешних компонентов (загрязнений), появление которых вызвано условиями хранения, эксплуатации, утилизации и вторичной переработки.
В процессе производства изделий из пластмасс и их дальнейшей эксплуатации полимер подвергается воздействию различных факторов, приводящих к изменению его химической структуры и морфологии. Характеристикой их влияния в общем случае является энергия, которая может проявляться в различных формах: УФ-излучение, радиация в широком смысле слова, теплота, акустический сигнал, электромагнитные поля и даже в виде механического воздействия (например, вибрация). Если количество энергии, привнесенное извне, выше энергии связи в месте ее приложения, появляется высокая степень риска разрушения полимерной цепи. Далее процесс деструкции может продолжаться в нескольких направлениях одновременно: разрыв цепей с уменьшением средней длины макромолекулы и с образованием низкомолекулярных «осколков» и образование сетчатых сшитых структур.
Снижение средней длины макромолекулы при деструкции и сшивка цепей приводит к изменению прочностных, декоративных и эксплуатационных свойств полимера. При этом механические показатели могут меняться разнонаправленно в зависимости от преобладания одного из двух указанных механизмов: при разрушении цепей будет падать прочность и упругие свойства, при сшивке — повышаться жесткость и снижаться эластичность. Кроме того, в этом кроется одна из причин нестабильности и неравномерности проявления свойств вторичных полимеров.
Внешние загрязнения появляются в материале на всех стадиях его жизненного цикла: при производстве первичного изделия, его хранении и транспортировке, дальнейшей эксплуатации, утилизации и подготовке к вторичному применению. Типичными представителями таких материалов являются не пластиковые составляющие (бумага, клей, металлы, стекло) и полимеры других типов. В общем загрязнения обеих групп не могут быть переработаны в новое изделие без каких-либо остаточных последствий при параметрах технологии производства этого продукта. Кроме того, в ряде случае такие внешние компоненты могут являться катализаторами дальнейшего разрушения базового полимера в смеси.
Таким образом, видится практически невозможным сохранение совокупности всех свойств вторичного полимера на уровне первичного. Отдельные методы, например использование стабилизаторов, могут снизить степень или скорость разрушения полимера, но не могут его полностью предотвратить. Кроме этого, даже в этом случае во вторичном материале увеличивается размах свойств внутри одной партии. Модификация вторичных полимеров при помощи добавок и/или наполнителей позволяет получить новый класс материалов, но такие технологии не устраняют недостатки вторичного полимера, а лишь компенсируют или маскируют их.
Срок службы изделий из вторички
При производстве изделий из вторичных материалов необходимо учитывать риск сниженного срока службы продукта, вызванного наличием деструктированных компонентов, а также потенциальной неоднородности состава. Под неоднородностью имеется в виду не только наличие сторонних компонентов, но и, например в случае использования технологических отходов в смеси с первичным сырьем, различие надмолекулярной структуры по объему изделия, а также широкое распределение длин макромолекул с наличием сшитых и коротких фракций. Совокупность этих факторов снижает стойкость изделия к тем же самым воздействиям, приводящим к разрушению полимера, которые были рассмотрены выше. В связи с этим деградация полимера происходит или быстрее, или при воздействии более низких энергий. Относительное снижение срока службы изделия можно косвенно определить при помощи сравнения кривых старения, например, при воздействии УФ-излучения или повышенной температуры. В этом случае не требуется определение абсолютной долговечности, достаточно при небольшом времени воздействия рассчитать коэффициент соотношения между свойствами первичного и вторичного материалов.
Эстетические требования
При использовании вторичных материалов часто наблюдается снижение интенсивности окраски, уменьшение уровня прозрачности и глянца, смещение цветовой гаммы в более темные и пастельные тона. Также обнаруживаются вкрапления материалов в цвете, отличном от базового. По этой причине дизайн изделий, в которых используются вторичные материалы, изначально не должен предусматривать яркую насыщенную окраску в массе. В отдельных случаях, которые скорее подтверждают общее правило, можно добиваться некоторых положительных результатов при помощи оптических отбеливателей. Тем не менее, типовыми решениями является окраска в темные спокойные цвета или использование дизайна, в котором цветные вкрапления являются заранее заданным элементом (рис. 1).
При производстве изделий из вторичных материалов необходимо учитывать риск сниженного срока службы продукта, вызванного наличием деструктированных компонентов, а также потенциальной неоднородности состава. Под неоднородностью имеется в виду не только наличие сторонних компонентов, но и, например в случае использования технологических отходов в смеси с первичным сырьем, различие надмолекулярной структуры по объему изделия, а также широкое распределение длин макромолекул с наличием сшитых и коротких фракций. Совокупность этих факторов снижает стойкость изделия к тем же самым воздействиям, приводящим к разрушению полимера, которые были рассмотрены выше. В связи с этим деградация полимера происходит или быстрее, или при воздействии более низких энергий. Относительное снижение срока службы изделия можно косвенно определить при помощи сравнения кривых старения, например, при воздействии УФ-излучения или повышенной температуры. В этом случае не требуется определение абсолютной долговечности, достаточно при небольшом времени воздействия рассчитать коэффициент соотношения между свойствами первичного и вторичного материалов.
Эстетические требования
При использовании вторичных материалов часто наблюдается снижение интенсивности окраски, уменьшение уровня прозрачности и глянца, смещение цветовой гаммы в более темные и пастельные тона. Также обнаруживаются вкрапления материалов в цвете, отличном от базового. По этой причине дизайн изделий, в которых используются вторичные материалы, изначально не должен предусматривать яркую насыщенную окраску в массе. В отдельных случаях, которые скорее подтверждают общее правило, можно добиваться некоторых положительных результатов при помощи оптических отбеливателей. Тем не менее, типовыми решениями является окраска в темные спокойные цвета или использование дизайна, в котором цветные вкрапления являются заранее заданным элементом (рис. 1).
Рисунок 1. Лоток для стаканчиков, изготовленный из несортированных по цвету отходов
«Пусть изделие расскажет историю»
Люди ценят изделия не только за функциональные преимущества, которые эти изделия приносят, но и используют их для выражения и демонстрации своей индивидуальности. Изделия показывают, кем является владелец как личность и какие ценности он считает важными, помогая ему демонстрировать последовательный и позитивный образ себя. Исследования поведения ответственных потребителей показали, что, если человек озабочен состоянием окружающей среды и считает это важной частью своего образа, он больше мотивирован выбирать экологически чистые продукты, к примеру продукцию из вторичного пластика, потому что они соответствуют его экологическим взглядам и позволяют выражать их. Компании могут усилить ценность продукции из вторичного полимера, делая очевидным тот факт, что изделие изготовлено именно из таких материалов. Одним из способов достижения такого эффекта является дизайн изделия, который подчеркивает наличие примесей, полимерных компонентов различных цветов (рис. 1, 2, 3).
Люди ценят изделия не только за функциональные преимущества, которые эти изделия приносят, но и используют их для выражения и демонстрации своей индивидуальности. Изделия показывают, кем является владелец как личность и какие ценности он считает важными, помогая ему демонстрировать последовательный и позитивный образ себя. Исследования поведения ответственных потребителей показали, что, если человек озабочен состоянием окружающей среды и считает это важной частью своего образа, он больше мотивирован выбирать экологически чистые продукты, к примеру продукцию из вторичного пластика, потому что они соответствуют его экологическим взглядам и позволяют выражать их. Компании могут усилить ценность продукции из вторичного полимера, делая очевидным тот факт, что изделие изготовлено именно из таких материалов. Одним из способов достижения такого эффекта является дизайн изделия, который подчеркивает наличие примесей, полимерных компонентов различных цветов (рис. 1, 2, 3).
Рисунок 2. Мебель из филамента, созданного из вторичного пластика
Рисунок 3. Горшок для цветов, изготовленный из смеси вторичных материалов
Эксплуатационные нагрузки
При конструировании изделий, призванных в процессе эксплуатации выдерживать какие-либо нагрузки (необязательно высокие; сюда можно отнести даже горшок с цветами на (рис. 3), если представить себе его падение с подоконника), необходимо учитывать изменение прочностных характеристик вторичных полимеров, особенно связанных с ударными и динамическими нагрузками. Такой акцент вызван тем, что при подобных воздействиях всегда срабатывает правило «Рвется там, где тонко». В этом случае необходимо принимать во внимание высокий риск наличия отдельных низкопрочных областей в объеме полимера, появление которых вызвано существованием загрязнения в любом виде или локальным отличием морфологии из-за присутствия сшитых или коротких макромолекул. В такой ситуации любой удар (падение) или динамическая нагрузка в первую очередь будут оказывать влияние именно на этот локальный участок, приводя к разрушению изделия.
Чтобы минимизировать риск разрушения изделия даже при относительно низких нагрузках, необходимо принять следующие меры:
— уменьшить количество конструктивных элементов, создающих повышенные механические напряжения (ребра жесткости, отверстия, тупиковые элементы, тонкие стенки и острые углы);
— по возможности исключить необходимость высокого давления и больших скоростей впрыска в технологии литья под давлением, сокращая длину потока расплава. Это позволит избежать неравномерного распределения материала и возникновения дефектов структуры;
— избегать чрезмерно быстрого охлаждения при экструзии, так как резкое охлаждение также способствует возникновению внутренних напряжений и неоднородностей в материале.
В случае производства изделий сложной геометрии есть смысл рассмотреть склеивание или сварку отдельных элементов изделия вместо его производства целиком, конечно, с учетом экономической составляющей.
Экодизайн
При рассмотрении требований, предъявляемым к изделиям, нельзя не затронуть тему экодизайна. Под экодизайном понимают стратегический подход к проектированию продуктов, систем и услуг, интегрирующий экологические аспекты на каждом этапе жизненного цикла. Цель экодизайна — минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и максимизировать положительные эффекты.
Приведем некоторые основополагающие принципы экодизайна:
— минимимизация ресурсопотребления: сокращение использования воды, энергии и материалов при сохранении качества и функциональности;
— выбор экологичных материалов: приоритет за возобновляемыми, нетоксичными, локальными материалами с минимальным углеродным следом:
— долговечность и ремонтопригодность: создание продуктов, рассчитанных на длительную эксплуатацию с возможностью обновления и ремонта;
— оптимизация конца жизненного цикла: проектирование с учетом последующей переработки или безопасной утилизации;
— энергоэффективность: минимизация энергопотребления на всех этапах существования продукта.
С точки зрения использования вторичных материалов при производстве изделий из пластмасс необходимо оценить, как сам факт использования вторичных материалов влияет на экологические аспекты. Например, потребление ресурсов при производстве вторичной гранулы с учетом необходимости мойки, сушки и других операций может превышать аналогичный показатель в производстве первичной гранулы. Снижение срока службы изделия, которое было рассмотрено выше, приведет к необходимости производства изделия на замену в более короткий срок, что также увеличит потребление ресурсов. Применение дополнительных стабилизаторов или более стойких к разложению добавок для модификации вторичного полимера может нести дополнительные риски для экологии на всех стадиях жизненного цикла продукции.
Таким образом, несмотря на кажущуюся привлекательность применения вторичных материалов, как того требуют принципы экодизайна, экологическая нагрузка при производстве и использовании таких изделий не обязательно снижается. Она может видоизменится и быть выражена в другом качестве или даже увеличиться на отдельных стадиях.
Применение вторичных материалов требует серьезной переоценки дизайна продукции с точки зрения соответствия функциональным требованиям, риска снижения долговечности, вынужденного сужения вариантов декоративного оформления и эстетического восприятия, а также потенциальной экологической нагрузки и неявности соответствия принципам устойчивого развития.
При конструировании изделий, призванных в процессе эксплуатации выдерживать какие-либо нагрузки (необязательно высокие; сюда можно отнести даже горшок с цветами на (рис. 3), если представить себе его падение с подоконника), необходимо учитывать изменение прочностных характеристик вторичных полимеров, особенно связанных с ударными и динамическими нагрузками. Такой акцент вызван тем, что при подобных воздействиях всегда срабатывает правило «Рвется там, где тонко». В этом случае необходимо принимать во внимание высокий риск наличия отдельных низкопрочных областей в объеме полимера, появление которых вызвано существованием загрязнения в любом виде или локальным отличием морфологии из-за присутствия сшитых или коротких макромолекул. В такой ситуации любой удар (падение) или динамическая нагрузка в первую очередь будут оказывать влияние именно на этот локальный участок, приводя к разрушению изделия.
Чтобы минимизировать риск разрушения изделия даже при относительно низких нагрузках, необходимо принять следующие меры:
— уменьшить количество конструктивных элементов, создающих повышенные механические напряжения (ребра жесткости, отверстия, тупиковые элементы, тонкие стенки и острые углы);
— по возможности исключить необходимость высокого давления и больших скоростей впрыска в технологии литья под давлением, сокращая длину потока расплава. Это позволит избежать неравномерного распределения материала и возникновения дефектов структуры;
— избегать чрезмерно быстрого охлаждения при экструзии, так как резкое охлаждение также способствует возникновению внутренних напряжений и неоднородностей в материале.
В случае производства изделий сложной геометрии есть смысл рассмотреть склеивание или сварку отдельных элементов изделия вместо его производства целиком, конечно, с учетом экономической составляющей.
Экодизайн
При рассмотрении требований, предъявляемым к изделиям, нельзя не затронуть тему экодизайна. Под экодизайном понимают стратегический подход к проектированию продуктов, систем и услуг, интегрирующий экологические аспекты на каждом этапе жизненного цикла. Цель экодизайна — минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и максимизировать положительные эффекты.
Приведем некоторые основополагающие принципы экодизайна:
— минимимизация ресурсопотребления: сокращение использования воды, энергии и материалов при сохранении качества и функциональности;
— выбор экологичных материалов: приоритет за возобновляемыми, нетоксичными, локальными материалами с минимальным углеродным следом:
— долговечность и ремонтопригодность: создание продуктов, рассчитанных на длительную эксплуатацию с возможностью обновления и ремонта;
— оптимизация конца жизненного цикла: проектирование с учетом последующей переработки или безопасной утилизации;
— энергоэффективность: минимизация энергопотребления на всех этапах существования продукта.
С точки зрения использования вторичных материалов при производстве изделий из пластмасс необходимо оценить, как сам факт использования вторичных материалов влияет на экологические аспекты. Например, потребление ресурсов при производстве вторичной гранулы с учетом необходимости мойки, сушки и других операций может превышать аналогичный показатель в производстве первичной гранулы. Снижение срока службы изделия, которое было рассмотрено выше, приведет к необходимости производства изделия на замену в более короткий срок, что также увеличит потребление ресурсов. Применение дополнительных стабилизаторов или более стойких к разложению добавок для модификации вторичного полимера может нести дополнительные риски для экологии на всех стадиях жизненного цикла продукции.
Таким образом, несмотря на кажущуюся привлекательность применения вторичных материалов, как того требуют принципы экодизайна, экологическая нагрузка при производстве и использовании таких изделий не обязательно снижается. Она может видоизменится и быть выражена в другом качестве или даже увеличиться на отдельных стадиях.
Применение вторичных материалов требует серьезной переоценки дизайна продукции с точки зрения соответствия функциональным требованиям, риска снижения долговечности, вынужденного сужения вариантов декоративного оформления и эстетического восприятия, а также потенциальной экологической нагрузки и неявности соответствия принципам устойчивого развития.
Литература
1. Polyportis, Athanasios. Guidelines to Foster Consumer Acceptance of Products Made from Recycled Plastics. [В Интернете] 10.08.2022. https://doi.org/10.1007/s43615-022-00202-9.
1. Polyportis, Athanasios. Guidelines to Foster Consumer Acceptance of Products Made from Recycled Plastics. [В Интернете] 10.08.2022. https://doi.org/10.1007/s43615-022-00202-9.
