PL210079B1 - Sposób recyklingu wyrobów zawierających włókna polietylenowe o ultra wysokiej masie cząsteczkowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest materiałowy sposób recyklingu wyrobów zawierających włókna polietylenowe o ultra wysokiej masie cząsteczkowej, zwłaszcza wielowarstwowych arkuszowych pakietów balistycznych.

Do tej pory recykling materiałowy odpadów technologicznych i poużytkowych arkuszowych pakietów balistycznych zawierających włókna polietylenowe o ultra wysokiej masie cząsteczkowej, oznaczane jako UHMW-PE, nie był prowadzony, a odpady składowano na wysypiskach śmieci lub spalano.

Przedmiotem wynalazku jest sposób recyklingu poprzez przetworzenie odpadów z wyrobów arkuszowych pochodzących z procesu konfekcjonowania wkładów balistycznych, zwłaszcza do kamizelek oraz wkładów zniszczonych lub wycofywanych z użytkowania po okresie gwarancyjnym, wykonanych z udziałem włókien polietylenowych UHMW-PE o ciężarze cząsteczkowym od 10⁶ do 9x10⁶ g/mol, przy jednoczesnym zachowaniu korzystnych cech tych włókien, zwłaszcza wytrzymałości.

Włókna te charakteryzują się równoległą orientacją makrocząsteczek, poziomem krystaliczności do 85%, temperaturą topnienia powyżej 145°C, wytrzymałością na zerwanie od 2 GPa do 6 GPa przy wydłużeniu rzędu 3-5% i modułem sprężystości od 80 GPa do 110 GPa. Właściwości te determinują ich stosowanie w miękkich ochronnych wyrobach balistycznych.

Włókna UHMW-PE stosowane są w typowych tkaninach jak również specjalnie opracowanych nietkanych arkuszach o podwyższonych właściwościach balistycznych. Arkusze balistyczne zbudowane są z dwóch warstw o orientacji 0°/90°, z których każda składa się z równolegle ułożonych włókien UHMW-PE, które to warstwy połączone są za pomocą spoiwa termoplastycznego ze sobą oraz z osłonową folią z polietylenu o małej lub średniej gęstości. Z polietylenowych wyrobów arkuszowych konfekcjonowane są miękkie wielowarstwowe pakiety ochronne o liczbie warstw zależnej od zakładanego poziomu odporności balistycznej produktu finalnego.

Pakiety balistyczne zawierają włókna UHMW-PE w ilości 70-75%, spoiwo termoplastyczne w iloś ci 10-20% oraz folię osł onową z polietylenu mał ej lub ś redniej gę stoś ci, w iloś ci 8-15%.

Sposób według wynalazku polega na tym, że odpady i/lub wyroby arkuszowe rozdrabnia się poprzez cięcie na fragmenty zawierające włókna UHMW-PE o długości od 100 μm do 10 mm, po czym do uzyskanej partii krajanki dodaje granulowany lub sproszkowany polietylen o niskiej lub średniej gęstości w ilości do 80% wagowych, ogrzewa do temperatury niższej o co najmniej 15°C od temperatury topnienia włókien UHMW-PE i utrzymując zadaną temperaturę, miesza do ujednorodnienia masy a następnie studzi. W alternatywnym wariancie rozwiązania, krajankę traktuje się odpowiednim dla rozpuszczenia termo-plastycznego spoiwa rozpuszczalnikiem, oddziela i suszy część stałą, po czym dalsza część procesu prowadzona jest jak w wariancie pierwszym z użyciem krajanki nie pozbawionej spoiwa.

Uzyskany kompozyt o matrycy z polietylenu niskiej lub średniej gęstości zawierający cięte włókna UHMW-PE o nienaruszonej strukturze, z ewentualnym niewielkim dodatkiem spoiwa polimerowego nadaje się na wyroby wtryskowe, wytłaczane, prasowane i termoformowane. Wyroby te charakteryzują się co najmniej 2,5-krotnym wzrostem wytrzymałości w stosunku do czystego polietylenu niskiej lub średniej gęstości, pod warunkiem prowadzenia procesu przetwarzania w temperaturze niższej od temperatury topnienia włókien UHMW-PE, korzystnie w zakresie od 120°C do 130°C.

Wyroby z kompozytu zawierającego nienaruszone fragmenty włókien UHMW-PE charakteryzują wysokie walory użytkowe, mechaniczne i estetyczne.

Kompozyt nie zawierający spoiwa termoplastycznego wykazuje wyższą wytrzymałość niż kompozyt z udziałem spoiwa.

W przypadku zniszczenia struktury włókien UHMW-PE w wyniku przekroczenia ich temperatury topnienia w trakcie otrzymywania kompozytu lub w procesie jego przerobu, uzyskane wyroby nie wykazują znaczącego wzrostu wytrzymałości w stosunku do standardowych.

Na załączonym rysunku Fig. 1 przedstawia zależność naprężenie-odkształcenie dla kompozytu z udziałem spoiwa oraz czystego polietylenu. Fig. 2 - obraz przełomu kompozytu w elektronowym mikroskopie skaningowym, a Fig. 3 - zależność naprężenie-odkształcenie dla kompozytu bez udziału spoiwa oraz czystego polietylenu.

P r z y k ł a d w y k o n a n i a I. Odpady technologiczne arkuszy balistycznych zawierające średnio 73% włókien UHMW-PE o temperaturze topnienia 153°C, 10% polietylenu niskiej gęstości o temperaturze topnienia 122°C w postaci folii osłonowej oraz 17% poliizoprenu jako spoiwa termoplastycznego, pocięto na fragmenty o wymiarach 5 mm x 5 mm.

PL 210 079 B1

Do porcji 20,5 g krajanki dodano 29,5 g granulatu polietylenu niskiej gęstości o temperaturze topnienia 112°C. Mieszankę ogrzano do temperatury 115°C i mieszano przy szybkości około 20 obrotów/minutę przez 15 minut, utrzymując stabilność temperatury w zakresie 120-130°C. Mieszaninę kompozytową zestalono przez ochłodzenie do temperatury pokojowej a następnie w temperaturze 125°C wyprasowano folię o grubości 1 mm. Dla porównania w takich samych warunkach wyprasowano folię z czystego polietylenu niskiej gęstości. Z obu rodzajów folii wycięto próbki do badań mechanicznych na rozciąganie. Rozciąganie przeprowadzono w temperaturze pokojowej z prędkością 5 mm/minutę. Zależ ność naprężenie-odkształ cenie dla kompozytu oraz czystego polietylenu przedstawiono na załączonym rysunku Fig. 1. Uzyskany kompozyt, zawierający nienaruszoną strukturę włókien UHMW-PE wykazuje znacznie wyższą wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie niż polietylen niskiej gęstości z folii osłonowej jak również polietylen dodany do kompozytu. Obraz przełomu kompozytu w elektronowym mikroskopie skaningowym ilustruje Fig. 2.

P r z y k ł a d w y k o n a n i a II. Odpady technologiczne arkuszy balistycznych zawierające średnio 73% włókien UHMW-PE o temperaturze topnienia 153°C, 10% polietylenu niskiej gęstości o temperaturze topnienia 122°C w postaci folii osłonowej oraz 17% poliizoprenu jako spoiwa termoplastycznego, pocięto na fragmenty o wymiarach 5 mm x 5 mm.

Z uzyskanej krajanki wyekstrahowano poliizopren przez namoczenie w chloroformie, przepł ukanie chloroformem i odparowanie pozostałości chloroformu w suszarce próżniowej. Do porcji tak przygotowanego materiału o wadze 17 g dodano 33 g granulatu polietylenu niskiej gęstości o temperaturze topnienia 112°C. Mieszankę ogrzano do temperatury 115°C i mieszano przy szybkości około 20 obrotów/minutę przez 15 minut, utrzymując stabilność temperatury w zakresie 120-130°C. Mieszaninę kompozytową zestalono przez ochłodzenie do temperatury pokojowej, a następnie w temperaturze 125°C wyprasowano folię o grubości 1 mm. Dla porównania w takich samych warunkach wyprasowano folię z czystego polietylenu niskiej gęstości. Z obu rodzajów folii wycięto próbki do badań mechanicznych na rozciąganie. Rozciąganie przeprowadzono w temperaturze pokojowej z prędkością 5 mm/minutę. Zależność naprężenie-odkształcenie dla kompozytu bez udziału spoiwa oraz czystego polietylenu przedstawiono na załączonym rysunku Fig. 3.

Claims (2)

1. Sposób recyklingu wyrobów zawierających włókna polietylenowe o ultra wysokiej masie cząsteczkowej, z zachowaniem korzystnych cech tych włókien, znamienny tym, że wyroby i/lub odpady zawierające 70-75% włókien polietylenowych UHMW-PE, o ciężarze cząsteczkowym od 10⁶ do 9x10⁶ g/mol i temperaturze topnienia powyżej 145°C, spoiwo termoplastyczne w ilości 10-20% oraz folię osłonową z polietylenu małej lub średniej gęstości, w ilości 8-15% rozdrabnia się poprzez cięcie na fragmenty zawierające włókna UHMW-PE o długości od 100 μm do 10 mm, po czym do uzyskanej partii krajanki dodaje granulowany lub sproszkowany polietylen o niskiej lub średniej gęstości w ilości do 80% wagowych, ogrzewa do temperatury niższej o co najmniej 15°C od temperatury topnienia włókien UHMW-PE i utrzymując zadaną temperaturę, miesza do ujednorodnienia masy, studzi a następnie poddaje dalszej obróbce w temperaturze niższej niż temperatura topnienia włókien UHMW-PE.

2. Sposób recyklingu wyrobów zawierających włókna polietylenowe o ultra wysokiej masie cząsteczkowej, znamienny tym, że wyroby i/lub odpady zawierające 70-75% włókien polietylenowych UHMW-PE, o ciężarze cząsteczkowym od 10⁶ do 9x10⁶ g/mol i temperaturze topnienia powyżej 145°C, spoiwo termoplastyczne w ilości 10-20% oraz folię osłonową z polietylenu małej lub średniej gęstości, w ilości 8-15% rozdrabnia się poprzez cięcie na fragmenty zawierające włókna UHMW-PE o długości od 100 μm do 10 mm, traktuje rozpuszczalnikiem spoiwa, przepłukuje takim samym rozpuszczalnikiem i odparowuje pozostałości rozpuszczalnika, po czym do uzyskanej partii krajanki dodaje granulowany lub sproszkowany polietylen o niskiej lub średniej gęstości w ilości do 80% wagowych, ogrzewa do temperatury niższej o co najmniej 15°C od temperatury topnienia włókien UHMW-PE i utrzymując zadaną temperaturę, miesza do ujednorodnienia masy, studzi a następnie poddaje dalszej obróbce w temperaturze niższej niż temperatura topnienia włókien UHMW-PE.