Вопрос вторичной переработки полиуретана приобретает все большее значение, особенно в Европе, где площади свалок для отходов сокращаются, а затраты на вывоз отходов резко увеличиваются. Растущие законодательные требования «замкнуть круг» жизненного цикла полиуретановой продукции являются дополнительными факторами стимулирования вторичной переработки. За последнее десятилетие появилось множество новаторских технологий вторичной переработки, но только несколько из них применяются на регулярной основе.

        Целесообразность применения определенного процесса вторичной переработки к конкретному продукту определяется свойствами материала и комплексом экономических и экологических факторов. Например, сжигание отходов полиуретана для использования накопленной энергии материалов может стать технически реализуемым решением при смешивании множества различных продуктов и законодательном ограничении их сброса на мусорных свалках. Но относительно чистые отходы зачастую гораздо выгоднее разделять на полезные мономерные исходные материалы полиуретана.

Действие нормативных требований
        Европейский Союз постепенно вводит новые более жесткие нормы вторичной переработки и регенерации энергии материалов, используемых в упаковочной, автомобильной, электрической и электронной отраслях. Данные нормы относятся к пластмассам в целом и полиуретанам в частности. Кроме этого, в странах Центральной Европы в течение следующих нескольких лет будут постепенно ликвидированы все мусорные свалки.
        В Северной Америке законодательные нормы по утилизации отходов менее строгие, хотя все больше предпринимателей, производящих и потребляющих пластмассы в данном регионе, разрабатывают добровольные программы по вторичной переработке и утилизации. Они нацелены на снижение вероятности введения обязательных правительственных норм и вынужденных технологических решений, которые могут оказаться более дорогостоящими, чем добровольные программы. Несколько отраслевых групп, включая американский «Альянс полиуретановой промышленности» (Alliance for the Polyurethanes Industry - API) и Европейскую ассоциацию производителей изоцианата (European Isocyanate Producers Association - ISOPA), оказали фактическое содействие развитию отраслевых инициатив по вторичной переработке полиуретана.

Материалы и методы
        Основным источником полиуретана для вторичной переработки являются использованные продукты, такие как электрические бытовые приборы, автомобили, постельные принадлежности, основы и подкладки коврового покрытия и мягкая мебель. Еще одним значительным источником перерабатываемого полиуретана являются промышленные производственные отходы.

Методы вторичной переработки и утилизации полиуретана

        По данным Совета по вторичной переработке и утилизации полиуретана (Polyurethane Recycle and Recovery Council - PU RRC), который является подразделением API, полиуретаны составляют 5% всех пластмассовых отходов. Особенно высокий уровень утилизации имеют ковровые подкладки. Согласно отчету PURRC, в 2002 году около 98% полиуретана, использованного для производства ковровых подкладок в США, было получено из отходов пенополиуретана. Из общего объема использованных отходов 6% было получено из отходов после использования продуктов и изделий.

Рис. 1. Полиуретановая ковровая подкладка и основание.

        Несмотря на то, что основным потребителем полиуретана является транспорт, объем вторичной переработки в данной отрасли является достаточно ограниченным. Высокая стоимость выделения отходов полиуретана из других компонентов списанных автомобилей препятствовала утилизации и повторному использованию полиуретана в автотранспортных средствах. Однако производители во всем мире приступили к разработке автомобилей, приспособленных для эффективного и экономичного отделения подлокотников и подголовников сидений для вторичной переработки. Части автомобилей, произведенные путем реактивного литьевого прессования, находящиеся в обшивке бампера и боковых защитных панелях, прошли процесс коммерческой утилизации для различных применений, как для автомобилей, так и в других целях.

 Рис. 2. Звукопоглощающая оболочка.

        Методы вторичной переработки продуктов из полиуретана включают процессы регенерации энергии, такие как сжигание и использование выделяемого тепла для производства электроэнергии. Другой способ заключается в механической переработке, включая измельчение и повторное использование отходов полиуретана в качестве наполнителя формованной продукции. Третий способ представляет собой химическое разделение полиуретана на его мономерные составляющие с последующим повторным использованием мономеров для производства новой полиуретановой продукции.

Регенерация энергии
        Когда полиуретан является частью большого недифференцированного потока отходов, например, твердых коммунально-бытовых отходов или измельченных использованных продуктов, состоящего из различных горючих материалов, сжигание и регенерация термической энергии зачастую представляют наиболее целесообразный способ вторичной переработки. В качестве топлива полиуретан обладает энергоемкостью, сравнимой с энергоемкостью угля по массе. Сжигание сокращает полиуретан до 1% от его исходного объема, таким образом, снижая нагрузку на свалки.

 Рис. 3. Теплосодержание различных горючих материалов, МДж/кг: нефтепродукты, уголь, полиуретан, лигнит, отходы/бумага, древесина, твердые коммунально-бытовые отходы.

        В процессе исследования Совет по вторичной переработке и утилизации полиуретана выяснил, что полиуретан может добавляться к твердым коммунально-бытовым отходам в объеме до 20% от общего веса, не вызывая повышения уровня выделения нежелательных газов или золы. ISOPA сообщает, что полиуретаны могут использоваться в усовершенствованных мусоросжигательных печах, соединенных с установками регенерации энергии и очистным оборудованием для газообразных продуктов горения. Считается, что такие комбинированные установки способны обеспечивать до 10% потребностей местного населения в электроэнергии. Отходы полиуретана также использовались в качестве топлива для отопления жилых помещений и в цементных печах.

Механическая переработка
        Механический способ вторичной переработки предусматривает измельчение отходов полиуретана в крошку с последующим повторным использованием этой крошки в различных целях. Отходы для такого процесса поступают из фабричных обрезков и отходов, а также от использованных продуктов. Полиуретановая крошка применяется в качестве наполнителя при производстве пенополиуретана или эластомеров. При использовании в качестве наполнителя крошка в процессе производства полиуретана, как правило, сначала вводится в полиольный компонент. Формованная полиуретановая продукция, такая как автомобильные подголовники, могут содержать до 20% повторно измельченного материала без снижения качества или эксплуатационных свойств.

 Рис. 4. Процесс повторного измельчения.

        Механические измельчители перерабатывают полиуретан в крошку путем различных процессов перемалывания и нарезания. Для использования в качестве наполнителей размер частиц полиуретана должен быть менее 200 микрон, предпочтительно менее 100 микрон.
        Измельченные отходы пенополиуретана могут быть вспенены вторично при помощи нагрева, давления и связующего вещества. Вторичное вспенивание широко используется для производства вибрационных звукопоглощающих настилов, полового покрытия, спортивных матов, набивочных материалов и ковровых подкладок. В ходе аналогичного процесса, известного как адгезивное прессование, гранулы полиуретана покрываются связующим веществом и отверждаются путем нагрева под давлением. Контурная продукция изготавливается путем адгезивного прессования, она включает коврики для автомобиля и покрышки шин.

Рис. 5. Вспенивание.

        Части, изготовленные реактивным литьевым прессованием, и армированные части могут быть также измельчены в крошку с последующей отливкой при нагревании под высоким давлением для формования цельных частей деталей для автомобильной промышленности. Такие цельные части, полученные методом прессования в форме, например корпус насоса или двигателя, кожух каталитического конвертера, могут содержать до 100% повторно измельченного материала, подвергнутого реактивному литьевому прессованию.

Рис. 6. Вторичная переработка панелей холодильников. Стадии: новый холодильник с улучшенной изоляцией: первичный пенополиуретан и вакуумные изоляционные панели; старый холодильник; отделение хлорфторуглерода и измельчение в крошку жесткого пенополиуретана; вакуумная упаковка прессованной крошки пенополиуретана; готовая вакуумная изолирующая панель.

Химическая переработка
        Деполимеризация полиуретана на химические компоненты, известная как хемолиз, наиболее эффективна, когда исходные отходы полиуретана имеют известный и однородный химический состав. Химический тип полиуретановой продукции, изготовленной из переработанных мономеров, как правило, аналогичен исходным продуктам и обладает теми же эксплуатационными качествами. По данным PURRC, в результате хемолиза образуются полиолы, которые могут заменить до 90% полиолов в полужестких пенополиуретанах, при этом содержанием вторичного сырья в производимом пенополиуретане может доходить до 30%. Организация приводит аналогичные результаты для жестких пенополиуретанов.

 Существуют следующие разновидности хемолиза:
          - гидролиз, в процессе которого отходы полиуретана вступают в реакцию с водой при нагревании под давлением и производят полиэфирполиолы и диамины (продукты гидролиза исходных диизоцианатов). Эти компоненты могут быть выделены, очищены и использованы повторно;
          - гликолиз, когда пенополиуретан вступает в реакцию с диолами при повышенной температуре (выше 200°C) в присутствии катализатора. В ходе процесса расщепляются полиуретановые макромолекулы и их многочисленные поперечные сшивки до получения полиолов невысокой молекулярной массы и других жидких продуктов. После очистки рециклат полиола может использоваться для изготовления различных продуктов, например, жесткого пенополиуретана, эластичного пенополиуретана, обувных подошв. Основные работы по гликолизу проводились в Европе. Гликолиз больше подходит для утилизации производственных отходов, чем отходов от использованной продукции и изделий;
          - аминолиз, в процессе которого пенополиуретан при нагревании под давлением вступает в реакцию с аминами, такими как дибутиламин, этаноламин, лактамы или аддукты лактамов. Аминолиз все еще находится на стадии исследования.

 Рис. 7. Процесс гликолиза: гликоль – катализатор – полиуретан/отходы – деаминирование – реактор – фильтр – рециклат полиола.

 Применение гликолиза

        Также в категорию химической переработки включается пиролиз, при котором смеси полиуретана и других отходов пластмассы нагреваются без доступа кислорода. Конечным продуктом процесса являются различные газы и масла, которые можно использовать как топливо и химическое сырье. Затем проводится гидрогенизация, при которой продукты пиролиза вступают в реакцию с водородом для производства более чистых газов и масел. Иногда гидрогенизация оказывается невозможной по экономическим причинам, например, из-за высокой стоимости водорода. Брикетированные отходы полиуретана могут быть использованы в качестве восстановителя железной руды – это еще один процесс, где применяются химические свойства полиуретана.

        Технологии переработки отходов полиуретана разрабатываются уже более десяти лет, но в последнее время вопрос вторичной переработки и утилизации встал особенно остро. Среди причин актуальности этой проблемы закрытие свалок, повышение стоимости вывоза отходов, правительственные постановления, устанавливающие квоты на переработанные пластмассы. Основными технологиями вторичной переработки полиуретанов являются регенерация энергии, механическая переработка и химическая переработка. Целесообразность выбора каждого метода зависит от перерабатываемого продукта, места расположения, стоимости энергоносителей, предполагаемых рынков конечного применения. Большая часть перерабатываемых на сегодня полиуретанов является промышленными отходами. Вторичная переработка отходов после использования продуктов и изделий до некоторой степени затрудняется отсутствием инфраструктуры сбора, сортировки и обработки, хотя различные отраслевые группы своими силами пытаются решить эти проблемы.

Гордон Грэфф, http://www.omnexus.com