Использовать отходы пенополистирола предложено по новой технология получения связующих материалов для литейного производства методом растворения отходов пенополистирола в живичном скипидаре.

Установлено, что оптимальное содержание полистирола в песчаной формовочной смеси должно составлять 2-3 %. Разработанные полистирольные связующие могут служить заменой таким связующим материалам как жидкое стекло, а также дорогим и дефицитным фенолоформальдегидным и фурановым смолам.

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 /1/. 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 /2, 3/. Однако, эти растворители имеют очень низкий предел допустимых концентраций (ПДК, мг/м3) в атмосфере рабочих помещений (цехов, участков и т.п.), это резко ухудшает условия труда при их использовании. Так, ПДК бензола равняется всего 5 мг/м3, толуола, ксилола, сольвента - по 50 мг/м3. Высокая летучесть этих растворителей серьезно усложняет их применение в производстве. Эти качества перечисленных выше растворителей - низкий ПДК и высокая летучесть - полностью исключают возможность применения различного рода растворов полистирола в атмосфере рабочих помещений.

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.

В связи с изложенным 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 /4/. 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. Углеводород a-пинен из группы пинена - наиболее важный и хорошо изученный представитель из этой группы /5/. 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. Данные по летучести живичного скипидара в сравнении с летучестью других известных растворителей приведены в таблице N 1.

Таблица 1 - Скорость испарения жидкости в г/м2.с в зависимости от скорости потока воздуха 0,25 м/с и температуры 20°С /6/.

Из приведенных данных видно, что 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.

Растворяющая способность живичного скипидара по отношению к отходам пенополистирола изучалась следующим образом. В емкость из прозрачного стекла с широкой горловиной и притертой пробкой заливали живичный скипидар. Затем эту емкость заполняли как можно полнее кусками отходов пенополистирола, закрывали пробкой и засекали время. Через несколько минут пенополистирол полностью растворялся. Снова загружали в емкость куски пенополистирола, которые очень быстро растворялись, а концентрация раствора и его вязкость последовательно увеличивались. Таким образом определили, что возможно получение растворов из отходов пенополистирола в живичном скипидаре практически любой концентрации вплоть до 50 %. В лабораторных условиях получены растворы с концентрацией 25 %, 30 %, 40 % и 50 %.