Вторичное Использование Отходов Пенополистирола

Вторичное использование отходов пенополистирола для связующих материалов в литейном производстве
В.С. Дорошенко, А.А. Стрюченко
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев

Пенополистирол (в обиходе называемый еще пенопластом) получил широкое применение в мире в качестве материала для упаковки и сохранения пищевых продуктов. Это обстоятельство подчеркивает гигиенические свойства пенополистирола, материала, свойства которого практически не меняются во времени. В упаковках из пенополистирола часто сохраняются мясо, рыба, замороженные или свежие овощи, а также напитки. В настоящее время практически вся упаковка бытовой электронной техники делается из пенополистирола. Также пенополистирол широко применяется в современном строительстве в качестве теплоизоляционного слоя в системах утепления домов и других строений, а также емкостных аппаратов и трубопроводов. Его применяют также в литейном производстве при получении моделей, которые в контакте с жидким металлом газифицируются при получении отливок из черных и цветных сплавов. Фактически пенополистирол можно встретить во многих сферах современной жизни.
После использования упаковки, либо другим образом попадая в отходы, пенополистирол не находит применения. Он не подлежит утилизации подобно другим бытовым отходам, так как не взаимодействует с водой и не подлежит биологическому разложению, указанные характеристики его высокой стойкости и нейтральности превращаются во вредные при попытке утилизации. Пенополистирол нельзя сжигать подобно углю, дровам и т. п. в связи с тем, что при этом в процессе его деструкции в больших объемах выделяются очень вредные (токсичные) газы. Поэтому отходы пенополистирола накапливаются в большом количестве в окружающей человека среде, создавая одну из сложных экологических проблем. Так, только в одной Японии по данным за 1998 г. ежегодно используется около 400 тыс. тонн пенополистирола для упаковки рыбной продукции, пищевых лотков, упаковки бытовой электронной техники. В Интернете имеется много сайтов о попытках вторичного использования пенополистирола после дробления упаковки в виде гранул, однако такое применение весьма ограничено.
Вместе с тем, пенополистирол может быть экономически эффективно использован для получения связующих и клеев широкого назначения, в том числе для приготовления формовочных и стержневых песчаных смесей, покрытий литейных форм для производства отливок из черных и цветных сплавов. Важно, что эти связующие могут отверждаться при комнатной температуре, а также при подсушке с температурой не выше 180-2000С. Это показали нижеописанные разработки Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины (г. Киев), в результате которых созданы указанные связующие – это растворы полистирола (изначально пенополистирола) в органическом растворителе. Исследования состояли в обоснованном выборе растворителя, оптимизации составов, эксплуатационных свойств связующих и песчаных смесей.
Известно, что пенополистирол легко растворяется во многих растворителях, в частности, в бензоле, толуоле, ксилоле, сольвенте, однако, они имеют очень низкий предел допустимых концентраций (ПДК, мг/м3) в атмосфере рабочих помещений (цехов, участков), это резко ухудшает условия труда при их использовании. Так, ПДК бензола всего 5 мг/м3, толуола, ксилола, сольвента – по 50 мг/м3. Высокая летучесть этих растворителей также усложняет их применение в производстве. Имеется другая группа растворителей с более высоким ПДК, который достигает 100-200 мг/м3. Это ацетон, этилацетат, бутилацетат, метилэтилкетон, тетралин и др. Однако, у них, за исключением дорогого и дефицитного тетралина, очень высокая летучесть. Так, летучесть ацетона по серному эфиру равняется всего 2,1, летучесть этилацетата 2,9. Применение этих растворителей для приготовления растворов пенополистирола с целью их использования в открытой атмосфере рабочих помещений с точки зрения ухудшения условий труда есть весьма проблематичным и на практике не применяется. Очевидно, что для получения растворов из отходов пенополистирола, в том числе, как связующих песчаных формовочных и стержневых смесей для литейного производства, необходимы растворители с более высоким ПДК и низкой летучестью, как обязательное условие создания малотоксичных смесей.
Поставленная задача решена нами установлением того факта, что растворителем отходов пенополистирола может быть живичный скипидар, на что и получен Институтом Патент Украины. Живичный скипидар – это углеводород растительного происхождения (ГОСТ 1571-82). Его получают из живицы (из надрезов коры сосны), которую перегоняют с паром и разделяют на летучую фракцию – скипидар и нелетучий осадок – канифоль. Скипидар содержит в основном бицикличный монотерпеноид пинен. Живичный скипидар представляет собой прозрачную бесцветную или чуть окрашенную жидкость с плотностью 0,855 – 0,863 г/см3. До появления уайт-спирита скипидар был основным растворителем лаков и красок, его также применяют в фармакологии, так как он обладает бактерицидными свойствами. Ежегодный объем производства живичного скипидара в мире составляет около 300000 т.
Живичный скипидар имеет ПДК равное 300 мг/м3, то есть значительно выше упомянутой выше группы растворителей с ПДК не более 200 мг/м3. Он хорошо растворяет отходы пенополистирола и имеет низкую летучесть, в сравнимых условиях, если принять скорость испарения живичного скипидара за единицу, то ацетон испаряется в 15,1 раза быстрее, бензин "Калоша"в 9,87 раз, этилацетат в 7,66 раз, уайт-спирит в 2,28 раз.
Исследуя растворяющую способность живичного скипидара по отношению к отходам пенополистирола, разработали технологию получения растворов из отходов пенополистирола в живичном скипидаре практически любой концентрации вплоть до 50 %. В лаборатории получены растворы с концентрацией 25 %, 30 %, 40 % и 50 %.
Приготовление растворов пенополистирола в органических растворителях обусловлено многократным уменьшением его исходного объема и увеличением объема раствора по сравнению с объемом растворителя. Приготовление растворов пенополистирола является удобным способом его компактирования, эти отходы занимают вследствие низкой плотности (около 25 кг/м3) значительный объем в окружающей среде. По нашей технологии для увеличения объема раствора на одну единицу требуется растворить многие десятки единиц объемов пенополистирола.
Разработанная технология рециклинга пенополистирола из его отходов позволяет позволяет перевести его в раствор, а затем, например, изготавливать современные малотоксичные связующие материалы для производства песчаных формовочных и стержневых смесей, а также покрытий литейных форм, что дает возможность усовершенствовать и разрабатывать новые более эффективные и экономичные процессы литья металлов. Кроме того, использование отходов пенополистирола имеет важное экологическое значение, так как речь идет об уменьшении этих отходов в окружающей человека экосфере.
Наиболее технологичны составы песчаных литейных смесей на 40 –процентном растворе содержат 2% полистирола в сухом остатке. Эти смеси прекрасно формуются и отверждаются кратковременной сушкой при температуре до 200 град. С. Институтом получен Патент Украины на изобретение по составу этих смесей, вместе с тем сейчас патентуется состав смеси, отверждаемый при комнатной температуре.
В развитие технологии рециклинга отходов пенополистирола путем получения его растворов в живичном скипидаре и последующем использовании в качестве связующего в литейном производстве предложена технологическая схема опытно-промышленного процесса с перечнем несложного оборудования, включающего реактор в виде герметично закрываемого сосуда, снабженного мешалкой для ускоренного растворения пенополистирола и получения однородного по концентрации раствора.
Как показали экспериментальные работы, в растворах пенополистирола в живичном скипидаре, независимо от концентрации раствора, наблюдается седиментация мелких загрязнений, занесенных с отходами пенополистирола. После приготовления раствора заданной концентрации выполняли операцию отстаивания для осаждения этих загрязнений и их последующего удаления. При промышленном рециклинге это может служить удобным способом очистки полистирольного раствора.
Физико-механические свойства формовочных стержневых смесей на основе полистирольных связующих превосходят или равны аналогичным характеристикам холодно-твердеющих смесей на основе жидкого стекла, феноло-формальдегидных, карбомидо-фурановых смол. Это обстоятельство позволило рекомендовать полистирольные связующие с живичным скипидаром для замены вышеупомянутых связующих и, в особенности, дорогостоящих смол (со стоимостью на порядок выше раствора полистирола), в производственном процессе литья заготовок из черных и цветных сплавов.
В Физико-технологическом институте металлов и сплавов кроме создания новых связующих песчаных смесей ведется поиск партнеров для участия в программах разработки технологии получения из растворенного полистирола твердых пластмасс и изделий, а также его использования в качестве сырья для производства недорогих высокопрочных клеев, строительных и теплоизолирующих пен. Бактерицидные свойства полученного из древесины хвойных пород живичного скипидара вместе с клеевыми свойствами описанного раствора можно использовать для производства пластыря, герметика, а также на предприятиях по производству продуктов и медикаментов.
Контакт для вопросов и предложений по адресу: dorosh@inbox.ru, В. Дорошенко.