Получение связующих и клеев из отходов пенополистирола для использования в литейном производстве и строительстве

Дорошенко В. С., Стрюченко А. А., Физико-технологический институт металлов и сплавов Национальной академии наук Украины, Киев, Украина

Пенополистирол был получен в 1951 г. и сразу нашел широкое применение как материал для упаковки продуктов питания и бытовой электронной техники, теплоизоляции зданий, сооружений, емкостей и трубопроводов, получения моделей в литейном производстве и т. д.

Отходы пенополистирола практически не используют в качестве вторичного сырья. Он не взаимодействует с водой, биологически не разлагается, его сжигание сопровождается образованием токсичных соединений. Поэтому отходы пенополистирола в большом количестве накапливаются в окружающей среде.

Исследования, проведенные в Физико-технологическом институте металлов и сплавов, показали, что пенополистирол можно применять 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. Эти связующие представляют собой растворы полистирола в органическом растворителе, которые могут отверждаться при комнатной температуре, а также при температуре подсушки не выше 180-200 °С. Проведены исследования по выбору растворителя, оптимизации составов, эксплуатационных свойств связующих и песчаных смесей.

Пенополистирол легко растворяется во многих жидкостях. Одна группа растворителей имеет очень низкие ПДК в воздухе рабочей зоны: бензол — 5 мг/м³; толуол, ксилол, сольвент — 50 мг/м³. ПДК другой группы — ацетона, этилацетата, бутилацетата, метилэтилкетона, тетралина — 100-200 мг/м³. Однако, за исключением дорогого и дефицитного тетралина, они имеют очень высокую летучесть.

В качестве растворителя отходов пенополистирола авторы предлагают использовать угле­водород растительного происхождения — живичный скипидар (ГОСТ 1571-82). Делая надрезы коры сосны, получают живицу, которую перегоняют с паром и разделяют на летучую фракцию (скипидар) и нелетучий осадок (канифоль). Скипидар содержит в основном бициклический монотерпен пинен и 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. Благодаря бактерицидным свойствам он также находит применение в фармакологии. Мировой объем производства живичного скипидара около 300 тыс. т в год.

ПДК скипидара в воздухе рабочей зоны 300 мг/м³. Он хорошо растворяет пенополистирол и имеет низкую летучесть. Если принять скорость испарения живичного скипидара за единицу, то в тех же условиях ацетон испаряется в 15,1 раза быстрее, бензин «Калоша» — в 9,87 раз, этилацетат — в 7,66 раз, уайт-спирит — в 2,28 раз.

Разработана технология получения растворов пенополистирола в живичном скипидаре с концентрацией до 50 %. Объем раствора в десятки раз меньше объема растворившегося пенополистирола, что позволяет компактировать отходы, которые, вследствие низкой плотности (около 25 кг/м³), занимают огромные объемы в окружающей среде. Из полученного раствора можно изготовить современные малотоксичные связующие материалы для производства песчаных формовочных и стержневых смесей, а также покрытий литейных форм (рисунок).

Стержни, изготовленные из смеси с полистирольным связующим

Наиболее технологичные составы песчаных литейных смесей на 40%-м растворе содержат 2 % полистирола в сухом остатке. Эти смеси прекрасно формуются и отверждаются кратковременной сушкой при температуре до 200 °С. Состав этих смесей запатентован в Украине В настоящее время патентуется состав, отверждаемый при комнатной температуре.

Предложена технологическая схема отытно-промьппленного процесса, включающая реактор в виде герметично закрываемого сосуда с мешалкой для ускорения растворения пенополистирола и получения однородного по концентрации раствора. Мелкие примеси осаждают отстаиванием и удаляют.

По физико-механическим свойствам формовочные стержневые смеси на основе полистирольных связующих не уступают холодно-твердеющим смесям на основе жидкого стекла, фенолформальдегидных, карбамидофурановых смол. Это позволяет заменить дорогостоящие связующие, применяемые в настоящее время в производственном процессе литья заготовок из черных и цветных сплавов, связующими, разработанными в Физико-технологическом институт металлов и сплавов.

В институте разрабатываются также технологии использования растворенного полистирола для получения твердых пластмасс и изделий, недорогих высокопрочных клеев и лаков, строительных и теплоизолирующих пен. Наличие бактерицидных свойств живичного скипидара расширяет возможности использования растворов и в других областях.

Институт ищет партнеров для внедрения в производство своих разработок.