Технологічні особливості зварювання виробів з біорозкладних пластиків на основі полілактиду (ПЛА)

Abstract

Поновлювані ресурси можуть замінити нафтові полімери на біополімери за допомогою інноваційних технологій. Зростає актуальність розробки нових продуктів на основі біо- та інших інноваційних технологій, які можуть зменшити широко поширену залежність від викопного палива і водночас сприяти посиленню національної безпеки, охорони навколишнього середовища та економіки. Біорозкладні полімери виготовлені з біо-джерела для поліпшення механічних властивостей шляхом додавання частинок арматури або волокон в полімерних матрицях, оптимізуючи їх для інженерних додатків. Вони відрізняються від інших пластиків можливістю розкладання мікроорганізмами шляхом хімічного або фізичного впливу. Саме ця властивість нових матеріалів дозволяє вирішувати проблему відходів. Сьогодні розробка біополімерів ведеться за двома основними напрямками: – виробництво біорозкладних поліефірів на основі гідроксикарбінових кислот, біорозкладних промислових полімерів; – виробництво пластичних мас на основі відтворюваних природних компонентів. Проектування і вибір матеріалів мають бути реалізовані з урахуванням кінцевого етапу їх циклу життя. Тобто шляхом зазначення способу розпаду, рециклювання або утилізації. Частина біопохідних пластмас можуть підлягати біодеградації, тобто розпаду протягом короткого часу. Застосування біодеградованих матеріалів ― це вирішення проблем утилізації відходів швидко й екологічно. Збільшення асортименту пластмасових виробів та винаходження нових композицій для виготовлення пластмас зумовлює нагромадження великої кількості відходів як у формі вжитих виробів, так і у вигляді технологічних відходів чи упаковок. Велика кількість відходів з пластмас, а також їх різноманітність, утруднюють їх повторне використання у вигляді сировини чи матеріалів. Тому виробники пластмас, які створюють або можуть створювати відходи, повинні забезпечувати: – запобігання утворення відходів або обмеження їх кількості та негативної дії на середовище в процесі виробництва виробів, під час та після завершення їх використання; – відновлення згідно з принципами охорони середовища, якщо не вдалося запобігти утворенню відходів; – знешкодження відходів згідно з принципами охорони середовища, утворенню яких не вдалося запобігти або не вдалося їх переробити. Полілактид (ПЛА) ― прозорий безбарвний термопластичний полімер. Його основна перевага ― можливість переробки всіма способами, застосовуваними для переробки термопластів. З листів полілактиду можна формувати тарілки, підноси, отримувати плівку, волокно, упаковку для харчових продуктів тощо. Але широке його застосування стримується низькою продуктивністю технологічних ліній і високою вартістю продукту. ПЛА також має значні переваги, такі як: екологічно чистий характер, перспективні термомеханічні властивості, досконала біосумісність і здатність до розпаду. Ці переваги дають можливість широкого застосування, особливо в галузі біомедицини,в упакуванні продуктів харчування та напоїв. Випробування на розтягування показали найбільшу відносну міцність стикових зварних швів зразків з ПЛА на рівні 75…80 % від основного матеріалу. Дослідження поверхонь руйнування свідчить, що матеріал досить пружний, в результаті розриву утворює видовжені пластинчасті структури. Загалом, ПЛА можна вважати полімерним матеріалом, що добре зварюється нагрітим інструментом.

Renewable resources can replace petroleum polymers with biopolymers throughout innovative technologies. The importance of developing new products based on bio and other innovative technologies is increasing, which can reduce the widespread dependence on fossil fuels and at the same time contribute to the enhancement of national security, the environment and the economy. Biodegradable polymers were made from a bio-source to improve mechanical properties by adding reinforcement of particles or fibers in polymer matrices, optimizing them for engineering applications. Different from other plastics the possibility of decomposition by microorganisms, chemical or physical action. It is the property of new materials that solves the problem of waste. Currently, the development of biopolymers is under two main directions: − production of biodegradable polyesters based on hydroxycarboxylic acids, biodegradable industrial polymers; − production of plastics on the basis of reproducing natural components. The design and selection of materials should be implemented taking into account the final stage of their life cycle. Thus indicating the method of decomposition, recycling or disposal. Part of bio-derived plastics may be biodegradable, decays in a short time. The use of biodegraded materials is the solution to the problems of waste, quickly and environmentally disposal. Increasing the range of plastic products and the invention of new compositions for the manufacture of plastics causes the accumulation of a large amount of waste, both in the form of used products and in the form of technological waste or packaging. The large amount of plastic waste, as well as its diversity makes it difficult to reuse it in the form of raw materials or materials. − to prevent the generation of waste or to limit their amount and negative impact on the environment during the production of products during and after their use; − ensure recovery in accordance with the principles of environmental protection, if waste generation has not been prevented; − ensure that waste is disposed of in accordance with environmental protection principles which have not been prevented or recovered. Polylactide (PLA) is a transparent colorless thermoplastic polymer. Its main advantage is the possibility of recycling by all methods used for thermoplastic processing. It is possible to form plates, trays, receive a film, fiber, packaging for foodstuffs, implants for medicine from the sheets of polylactide. But its widespread use is constrained by the low productivity of the production lines and the high cost of the product. PLA also has significant advantages such as environmentally friendly nature, promising thermomechanical properties, perfect biocompatibility and degradability. These benefits allow a wide range of applications, especially in the fields of biomedicine, food and beverage packaging. Tensile tests showed the highest relative strength of butt welds of the PLA samples at 75-80% of the base material. The study of the fracture surfaces shows that the material is sufficiently elastic and forms elongated plate structures upon fracture. In conclusion, the PLA can be considered a polymer material, which is well welded with a heated tool.

Возобновляемые ресурсы могут заменить нефтяные полимеры на биополимеры с помощью инновационных технологий. Возрастает актуальность для разработки новых продуктов на основе био- и других инновацион- ных технологий, которые могут уменьшить широко распространенную зависимость от ископаемого топлива и в то же время способствовать повышению национальной безопасности, охраны окружающей среды и экономики. Биоразлагаемые полимеры изготовлены из биоисточников для улучшения механических свойств путем добав- ления частиц арматуры или волокон в полимерных матрицах, оптимизируя их для инженерных исследований. Они отличаются от других пластиков возможностью разложения микроорганизмами путем химического или физического воздействия. Именно это свойство новых материалов позволяет решать проблему отходов. В настоящее время разработка биополимеров ведется по двум основным направлениям: − производство биоразлагаемых полиэфиров на основе гидроксикарбинових кислот, биоразлагаемых промыш- ленных полимеров; − производство пластических масс на основе воспроизводящих природных компонентов. Проектирование и выбор материалов должны быть реализованы с учетом конечного этапа их цикла жизни. То есть путем указания способа распада, рециклирования или утилизации. Часть биопроизводных пластмасс могут подлежать биодеградации, т.е. распаду в течение короткого времени. Применение биодеградированых материалов ― это решение проблем утилизации отходов быстро и экологично. Увеличение ассортимента пластмассовых изделий и изобретения новых композиций для изготовления пластмасс приводит к накоплению большого количества отходов как в форме принятых изделий, так и в виде технологических отходов или упако- вок. Большое количество отходов из пластмасс, а также их разнообразие, затрудняет их повторное использо- вание в виде сырья или материалов. Поэтому производители пластмасс, которые создают или могут созда- вать отходы, должны действовать так, чтобы: − предотвращать образование отходов или ограничивать их количество и негативное воздействие на ок- ружающую среду при производстве изделий, во время и после завершения их использования; − обеспечивать возобновление, в соответствии с принципами охраны окружающей среды, если не удалось предотвратить образование отходов; − обеспечивать обезвреживание отходов, в соответствии с принципами охраны окружающей среды, образо- вание которых не удалось предотвратить или не удалось их переделать. Полилактид (ПЛА) ― прозрачный бесцветный термопластичный полимер. Его основное преимущество ― возможность переработки всеми способами, применяемыми для переработки термопластов. Из листов поли- лактида можно формировать тарелки, подносы, получать пленку, волокно, упаковку для пищевых продуктов, имплантатов для медицины. Но его широкое применение сдерживается низкой производительностью техноло- гических линий и высокой стоимостью получаемого продукта. ПЛА также имеет значительные преимущества, такие как экологически чистый характер, перспективные термомеханические свойства, совершенная биосо- вместимость и разложении. Эти преимущества позволяют его широко применять, особенно в области биоме- дицины, упаковки продуктов питания и напитков. Испытания на растяжение показали наибольшую относи- тельную прочность стыковых сварных швов образцов с ПЛА на уровне 75…80 % от прочности основного материала. Изучение поверхностей разрушения свидетельствует, что материал достаточно упругий, при растяжении образует удлиненные пластинчатые структуры. В общем, ПЛА можно считать полимерным ма- териалом, который хорошо сваривается нагретым инструментом.