Ανακύκλωση βιομηχανικού και αστικού υπολείμματος πολυπροπυλενίου μέσω εκβολής αντιδρώντος συστήματος - Χριστίδης, Σάββας (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμερών, 2015)
Το πολυπροπυλένιο (PP) είναι ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές με καλές φυσικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Οι κυριότερες ιδιότητες του είναι μεγάλη ακαμψία, χαμηλή πυκνότητα υλικού και αντίσταση σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Προσφέρει επίσης καλή αντοχή σε κρούση, χημική αντίσταση, σκληρότητα υλικού, διαφάνεια για χρήση σε συσκευασία και ευκολία στην κατεργασία και στη μορφοποίησή του. Οι ιδιότητες αυτές το καθιστούν ιδιαίτερα σημαντικό πολυμερές καθώς βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς τομείς. Το πολυπροπυλένιο χρησιμοποιείται ευρέως σε συσκευασίες τροφίμων, σε ιατρικές εφαρμογές, στην αυτοκινητοβιομηχανία αλλά και σε αντικείμενα γενικής χρήσης όπως σακούλες, μπουκάλια, πώματα, καρέκλες. Η συνεχώς, όμως, αυξανόμενη ζήτηση προϊόντων πολυπροπυλενίου οδηγεί σε αύξηση του όγκου των αντίστοιχων απορριμμάτων. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την ανακύκλωση των πλαστικών αυτών απορριμμάτων και την αξιοποίησή τους για την παραγωγή προϊόντων υψηλής ποιότητας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η συμπεριφορά του πολυπροπυλενίου για μεταβολή των ρεολογικών του ιδιοτήτων μέσω εκβολής αντιδρώντος συστήματος. Συγκεκριμένα επιδιώχθηκε η ανακύκλωση βιομηχανικού υπολείμματος PP από εφαρμογές παραγωγής φιλμ για την αξιοποίησή του όχι αποκλειστικά σε κλειστού κύκλου (closed-loop) εφαρμογές, αλλά και σε άλλου είδους μορφοποιήσεις του υλικού. Στην συνέχεια επιδιώχθηκε και η ανακύκλωση αστικού υπολείμματος PP από εφαρμογές έγχυσης, το οποίο παρουσίαζε σχετικά υψηλότερο αρχικό δείκτη ροής τήγματος(MFI) από το βιομηχανικό υπόλειμμα. Γενικά, η οξείδωση, που αποτελεί το πρόβλημα για την επαναχρησιμοποίηση του υλικού σε κλειστού τύπου εφαρμογές, εξελίσσεται μέσω επαναλαμβανόμενων, διαδοχικών αντιδράσεων, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν μέχρι την ολική υποβάθμιση της ποιότητας του πολυμερούς. Ένας γενικός μηχανισμός θερμοοξειδωτικής αποδόμησης, που ισχύει και στην περίπτωση του ΡΡ,είναι ηθερμομηχανική σχάση των πολυμερικών αλυσίδων, η οποία οφείλεται αποκλειστικά σε συνθήκες αποθήκευσης και διεργασίες μορφοποίησης, τόσο κατά το πρώτο όσο και κατά το δεύτερο κύκλο ζωής της ανακύκλωσης του υλικού. Η εφαρμογή της ανακύκλωσης εκβολής αντιδρώντος συστήματος περιλαμβάνει τήξη πολυμερούς σε εκβολέα παρουσία αντιδραστηρίων τα οποία έχουν σκοπό, μέσω των αντιδράσεών τους με τις πολυμερικές αλυσίδες, να αυξήσουν το υποβαθμισμένο μοριακό βάρος και να βελτιώσουν τις ιδιότητες του πολυμερούς. Τα αντιδραστήρια, που χρησιμοποιήθηκαν για την συγκεκριμένη εκβολή αντιδρώντος συστήματος ήταν (1) το υδροξείδιο του ισοπροπυλοβενζενίου (DCP) που λειτουργεί ως εκκινητής, δηλαδή δημιουργεί ρίζες στην πολυμερική αλυσίδα, (2) η παρα-βενζοκινόνη (p-BQ), της οποίας η δράση σχετίζεται με το να συνδέσει τις δημιουργημένες ελεύθερες ρίζες μεταξύ τους. Το αντιδραστήριο αυτό, που ονομάζεται επιμηκυντής αλυσίδας (chainextender), βοηθάει στην ένωση των ριζών και στη δημιουργία διακλαδώσεων μεταξύ των αλυσίδων. Επίσης χρησιμοποιήθηκε και σταθεροποιητής Irg568®, ο οποίος είχε ως στόχο την δέσμευση μέρους του συνόλου των δημιουργημένων ελεύθερων ριζών.Εξετάστηκαν διάφορες συνταγές των ουσιών αυτών κατά την εκβολή αντιδρώντος συστήματος με στόχο τη μείωση του δείκτη ροής τήγματος (MFI) και επομένως την αύξηση του μοριακού βάρους του πολυμερούς. Συμπερασματικά, διαπιστώθηκε ότι η εφαρμογή της εκβολής αντιδρώντος συστήματος είναι εφικτή για το ΡΡ, παρά το γεγονός ότι η ευρεία χρήση της συγκεκριμένης τεχνικής ανακύκλωσης αφορά κυρίως πολυμερή σταδιακού πολυμερισμού, όπως ΡΕΤ και ΡΑ 66. Ειδικότερα, απεδείχθη ότι η χρήση ποσότητας επιμηκυντή (p-BQ) 1 phr σε συνδυασμό με 0,05 phr DCP και 0,1% Irg568® οδήγησε σε σημαντική μείωση του MFI (αύξηση μοριακού βάρους) στην περίπτωση του αστικού υπολείμματος ΡΡ από εφαρμογές έγχυσης, όπου το απόρριμμα παρουσίαζε αρχικά υψηλή τιμή δείκτη τήγματος. Ως προς την πρακτική εφαρμογή της τεχνικής, προέκυψαν ικανοποιητικά αποτελέσματα με τη χρήση ξηρής προανάμειξης του πολυμερούς με τα αντιδραστήρια, καθώς και με την ξήρανση του εκβληθέντος υλικού, ώστε να απομακρύνονται υγρασία και τυχόν υπολειπόμενες ποσότητες αντιδραστηρίων. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι ο απαιτούμενος χρόνος αντίδρασης στο εσωτερικό του εργαστηριακού εκβολέα, που χρησιμοποιήθηκε βρέθηκε ικανοποιητικός ήδη από τον πρώτο κύκλο εκβολής, γεγονός που είναι ενθαρρυντικό για την εφαρμογή της τεχνικής σε πιλοτικά ή βιομηχανικά συστήματα εκβολής όπου οι χρόνοι παραμονής είναι υψηλότεροι.