Приготовление растворов пенополистирола в органических растворителях обусловлено многократным уменьшением исходного объема пенополистирола и заметным увеличением объема раствора по сравнению с объемом растворителя. Следовательно, приготовление растворов пенополистирола является удобным способом его компактирования, отходы пенополистирола занимают вследствие низкой плотности (около 25 кг/м 3) значительный объем в окружающей среде. Согласно полученным данным для увеличения объема раствора на одну единицу требуется растворить многие десятки единиц объемов пенополистирола. В результате наших исследований создана технология рециклинга пенополистирола, которая из его отходов позволяет изготавливать современные малотоксичные связующие материалы для производства песчаных формовочных и стержневых смесей, а также покрытий литейных форм. Это 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 /7, 8/. Применимость этих растворов в песчаных смесях оценивается способностью раствора равномерно распределяться в объеме смеси в процессе ее приготовления. А так как сырая прочность смеси зависит от величины содержания в ней живичного скипидара, и с ее увеличением она уменьшается, то оптимальным для литейного производства считаем 40% раствор пенополистирола. Для полимеров это довольно высокая концентрация. Растворы более высоких концентраций малотекучи и очень вязки, что делает проблематичным их применение в формовочных и стержневых смесях. Если с точки зрения требований к санитарным условиям труда низкая летучесть живичного скипидара является положительным фактором, то с точки зрения технологической необходимости ускоренного твердения форм и стержней этот фактор является отрицательным, так как требует принудительного удаления растворителя из смеси. Имеется ряд способов удаления жидкой композиции из смеси: вакуумирование, продувка смеси в оснастке сухим подогретым воздухом, температурное воздействие при сушке в печах. В настоящей работе изложены результаты по использованию последнего варианта, как наиболее доступного. В ходе исследований изучали прочность формовочных и стержневых смесей на сжатие, растяжение (разрыв), газопроницаемость, осыпаемость. На рис. 1 представлены данные о влиянии времени выстаивания образцов при комнатной температуре (20°С, естественная сушка на воздухе) на сырую прочность на сжатие смесей с 1, 2, 3 и 4 % полистирола. Все смеси на момент изготовления образца показали очень низкую сырую прочность. Его удается испытать только спустя 30 минут естественной сушки на воздухе, при этом прочность смеси на сжатие находится в интервале 0,024-0,055 МПа. В дальнейшем при выстаивании на воздухе она увеличивается, достигая спустя 2 часа значения 0,047-0,125 МПа. Большим значением прочности соответствуют смеси с более низким содержанием связующего полистирола и, соответственно, меньшим количеством жидкой композиции - скипидара. Уменьшение массы образца при выстаивании в течение 2 часов незначительное, для смеси с 1% полистирола - всего менее 1%. Газопроницаемость смесей при выстаивании заметно возрастает (рис. 2), при этом с увеличением количества связующего в смеси она закономерно уменьшается. Смеси обладают довольно низкой осыпаемостью - всего 0,10-0,13%. В целом отметим, что способ выстаивания форм и стержней на воздухе с целью их упрочнения нельзя признать технологичным ввиду очень низкой летучести живичного скипидара. Поэтому их сушка в сушилах по специальному режиму является одной из основных технологических операций процесса изготовления этих изделий. На рис. 3 показано влияние тепловой обработки образцов смеси в виде стандартных восьмерок при температуре 120°С на прочность на разрыв для смесей с 1, 2, 3 и 4% полистирола. Уже спустя 60-70 мин. прочность смеси на разрыв достигает своего максимума в интервале 1,78-1,92 МПа для смесей с 2, 3 и 4% полистирола. Прочность смеси с 1% полистирола значительно ниже - 0,93 МПа спустя 60 мин. При дальнейшем увеличении продолжительности сушки наблюдается понижение прочности смеси на разрыв, что указывает на целесообразность сушки форм и стержней из этих смесей не дольше 60-70 мин. при температуре 120°С. Одновременно сделали важный практический вывод об оптимальном составе смеси. Так как данные по прочности на разрыв смеси с 2, 3 и 4% полистирола при оптимальной продолжительности сушки очень близки, то его оптимальное содержание в рабочем составе смеси должно быть в интервале 2-3%. На рис. 4 приведены данные по потере массы образцов - восьмерок при 120°С в зависимости от содержания в смеси связующего полистирола и продолжительности высушивания этих образцов. По мере увеличения количества вводимого в смесь связующего в виде 40%-го раствора отходов пенополистирола в живичном скипидаре увеличивается количество жидкой композиции - живичного скипидара, который должен быть удален при сушке. Так, потери массы для смеси с 1% полистирола стабилизировались на уровне 1,15%, для смеси с 2% полистирола - 1,53%, для смеси с 3% - 6,38%, с 4% - 8,26%. Эта стабилизация потери массы для образцов с 1, 2 и 3% полистирола замечена уже спустя 30 мин. сушки, а для смеси с 4% полистирола этот процесс более замедлен и практически заканчивается спустя 1 час. Сопоставляя эти процессы потери массы на рис. 4 с максимумом прочности образцов на рис. 3, отметим, что для смесей 1, 2 и 3% полистирола процесс нарастания прочности до ее максимального значения прямо не связан с наличием в смеси жидкой композиции - живичного скипидара. Следовательно, при сушке смеси при 120°С происходят полимеризационные процессы самого связующего, которые при данных условиях приводят к росту прочности до оптимальных значений. Сушка образцов - восьмерок при более высокой температуре (200 °С) ускоряет повышение прочности смеси до приемлемого технологического уровня (рис. 5). Если при 120°С оптимальная прочность достигалась сушкой в течение 60-70 мин., то при 200°С это время сокращается примерно до 30 мин. Смесь с 4% полистирола показала прочность на разрыв 2,06 МПа и 2,11 МПа при сушке соответственно при 60 мин. и 120 мин. Сушка при 200°С рекомендуется в течение не более 60 мин. Но, если учесть значения прочности при 120°С и повышенную склонность полистирола к термодеструкции при 200°С, о чем свидетельствует начинающееся выделение газов, то температуру сушки 200°С можно считать предельной и ее не следует превышать. На рис. 6 показано влияние продолжительности сушки образцов на разрыв при 200°С для смесей с 1, 2, 3 и 4% полистирола на потери их массы. Видно, что при сушке образцов при 200°С потери массы независимо от содержания связующего заканчиваются в течение 1 часа. При этом уже спустя 30 мин. сушки образцы - восьмерки показали достаточную технологическую прочность на разрыв в интервале 1,07-1,82 МПа. Поэтому продолжительность сушки этих образцов в течение 30 мин. можно считать оптимальной. Измерения осыпаемости показывают, что смеси со связующим полистиролом характеризуются весьма низкой осыпаемостью, у смеси с 1-3% полистирола осыпаемость равна 0,10-0,13%, осыпаемость смеси с 4% полистирола равна 0,9%. Это важное технологическое свойство смесей, которое дает повышение качества получаемых отливок. Таким образом, предложена технология рециклинга отходов пенополистирола путем получения его растворов в живичном скипидаре и последующем использовании в качестве связующего в литейном производстве. Предложена технологическая схема, представленная на рис. 7, опытно-промышленного процесса получения этих растворов отходов пенополистирола в живичном скипидаре. Для формовочных и стержневых смесей рекомендовано растворы 40%-й концентрации полистирола. Реактор герметичен и снабжен 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. На рис. 8 показана технологическая схема получения литейных песчаных форм и стержней из смесей на основе полистирольного связующего из отходов пенополистирола в нетоксичном растворителе - живичном скипидаре. На рис. 9 показаны образцы и стержни, изготовленные из песчаных смесей с полистирольным связующим. 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 НАН Украины сейчас находятся на стадии завершения работы по созданию и патентованию промышленного комплексного жидкостекольно-полистирольного связующего, сочетающего высокие сырую прочность и выбиваемость песчаных смесей. Одновременно 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 живичного скипидара вместе с клеевыми свойствами описанного раствора можно использовать для производства пластыря и т. п.
В.С. Дорошенко, А.А. Стрюченко, Ю.Ю. Ладарева,
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
www.newchemistry.ru |
