Вторичное использование отходов пенополистирола для производства стройматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

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.

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

ПСВ гранулы являются полистиролом, содержащим легкокипящий компонент (пентан). ПСВ гранулы представляют собой бисерный гранулят, который может поставляться потребителю, как прошедший сепарационное разделение, так и без разделения на фракции. При использовании сеянного гранулята вспененные гранулы полистирола имеют одинаковые размеры, в случае применения, не сеянного гранулята вспененныенные гранулы полистирола будут иметь значительные расхождения размеров(0,5-12 мм).

Процесс вспенивания ПСВ гранул условно можно разделить на два этапа:

1. Предварительное вспенивание.

2. Высушивание (вылеживание) вспененных гранул, для их дальнейшего использования.

Вспенивание.

Активация пентана содержащегося в гранулах ПСВ происходит под воздействием водяного пара. Гранулы ПСВ под действием пара размягчаются и начинают вспениваться, увеличиваясь в объеме. Возможно пятидиситикратное увеличение первоначального объема гранул. Соответственно изменяется и насыпной вес гранул. Например, от 680 гр/л до 14 гр/л.

Для ускорения процесса вспенивания ПСВ гранулы перемещаются в емкости вспенивателя посредством механического активатора-ворошителя. Постоянная циркуляция гранул при воздействии водяного пара позволяет максимально быстро и качественно вспенивать значительные объемы материала. Размер вспененного материала напрямую зависит от температуры и времени воздействия водяного пара, а также скорости вращения и конструкции активатора-ворошителя.

Описание процесса вспенивания гранул ПСВ на установки ПП-40 оснащенной встроенным парогенератором.

Исходное сырье (ПСВ гранулы) из расходного бункера посредством шнекового питателя подается в нижнюю часть вспенивателя. Изменяя количество подаваемого материала (регулятор расходного бункера) регулируется объем вспененных гранул.

Под воздействием водяного пара активируется легкокипящий агент (пентан) содержащийся в ПСВ гранулах. Гранулы увеличиваются в объеме, вытесняются невспененными гранулами, подаваемыми шнековым питателем в нижнюю часть установки, уровень заполнения вспенивателя увеличивается. Вспененные гранулы достигают разгрузочного окна в верхней части емкости вспенивателя и попадают в установку сушки. Меняя высоту шторки разгрузочного окна можно изменять объем вспененных гранул. Чем выше шторка разгрузочного окна и меньше подача сырья шнековым питателем, тем большее время водяной пар воздействует на гранулы ПСВ и тем соответственно больше объем и меньшая плотность вспененных гранул. И, наоборот, при увеличении подачи сырья в установку и нижнем расположении шторки разгрузочного окна увеличивается насыпная плотность готового материала.

Вспенивание ПСВ гранул в установке происходит при постоянном перемешивание материала активатором-ворошителем. Лопасти активатора перемешивают вспененные гранулы, препятствуя слипанию и способствуя равномерному перемещению материала к разгрузочному окну установки, при постоянном воздействии водяного пара.

Сушка материала.

Вспененный полистирол содержит до 10-15% влажности, к тому же внутри гранул создается разряжение вследствие конденсации остатков пентана и водяного пара. Это может привести к деформации (сжатию) вспененных гранул, сжатие гранул резко снижает объем материала и приводит к значительному увеличению насыпной плотности. Поэтому вспененные гранулы ПСВ необходимо просушить, для стабилизации внутреннего давления и упрочнения наружных стенок гранул. Диффузионное проникновение воздуха в ячейки вспененного полистирола придает материалу высокие показатели сопротивления сжатию. Скорость поглощения воздуха вспененными гранулами выше у материала более низкой насыпной плотности.

Сушка-транспортер.

Применение пневмодинамических сушек-транспортеров вспененного полистирола позволяет быстро и эффективно снизить остаточную влажность материала до 6-3% ,одновременно перемещая материал в бункера вылеживания. Бережная транспортировка вспененных гранул в воздушном потоке нагретом, до температуры 35-40°С придает, процессу сушки необходимую динамику и позволяет организовать непрерывную подачу материала на участок вылеживания. Во время прохождения вспененными гранулами установки сушки вместе с потерей остаточной влажности значительно возрастает текучесть материала, что положительно сказывается на наполняемости бункеров вылеживания.

Вылеживание вспененных гранул ПСВ.

Для окончательной стабилизации внутреннего разряжения и достижения показателей остаточной влажности ПСВ гранул на уровне 0,5-1% необходима выдержка материала в бункерах вылеживания. Бункера вылеживания представляют собой легкую сварную конструкцию с закрепленным мешком из воздухопроницаемой ткани. Бункера могут изготавливаться различного объема, ООО «СтройМеханика» предлагает бункера объемом 20 м?. Бункера данного объема удобны в работе и обслуживании, позволяют разместить участок вылеживания практически в любом пригодном для этих целей помещении. Бункера вылеживания соединяются пневмопроводами, объединяющими узел вылежки и позволяющими создать бункерный модуль необходимого объема.

Вспененные гранулы ПСВ находятся в бункере вылеживания около 4-12 часов в зависимости от размера гранул, насыпной плотности и остаточной влажности. Для уменьшения времени выдержки материала в бункере рекомендуется размещать участок вылежки в помещении с пониженной относительной влажностью. Значительного сокращения времени выдержки можно добиться, применив метод перекачивания гранул нагретым воздушным потоком из бункера в бункер. Время выдержки ПСВ гранул в этом случае сокращается до 2-3 часов.

Особенности хранения гранулята ПСВ.

Гранулят ПСВ (ТУ 38.602-22-57-96) поставляется потребителю в основном упакованными в мешках-контейнерах весом 30-50 кг. При закупке материала следует учитывать, что срок хранения ПСВ гранул в мешках не должен превышать шести месяцев с момента изготовления и фасовки. Температура в помещении, где храниться сырье не должна подниматься выше +20°С. Данные ограничения обусловлены снижением содержания в гранулах легкокипящего агента- пентана. Однако вспенивание ПСВ гранулята, для производства полистиролбетона обычно проводиться по одностадийной схеме (при изготовлении листового пенопласта двух стадийная или даже трех стадийная схема) поэтому содержание пентана остается достаточным, для одностадийного вспенивания даже по истечению 12 месяцев с момента производства ПСВ гранулята. Склады хранения должны обеспечивать защиту фасованного гранулята ПСВ от неблагоприятных погодных условий.

Хранение вспененных гранул ПСВ.

Вспененные гранулы ПСВ после выравнивания внутреннего давления имеют достаточно стабильные характеристики, как водопоглощения так и прочности и могут храниться достаточно долго. Однако при вылежке гранул в бункерах необходимо защитить их от воздействия низких температур. При низкой температуре резко замедляется процесс сушки материала, гранулы смерзаются, что отрицательно сказывается на качестве получаемых гранул ПСВ. Температура в производственном помещении не должна опускаться ниже +8°С.

Обязательная вентиляция производственных и складских помещений.

При соединении пентана содержащегося в грануляте ПСВ с воздухом образуется взрывоопасная воздушно-пентановая смесь. Воздушно-пентановая смесь тяжелее воздуха, поэтому необходимо предусмотреть вентиляцию участка вспенивания и вылежки материала на уровне пола. Приток свежего воздуха осуществляется с верху. На крыше производственного здания должны быть установлены вентиляционные люки, обеспечивающие достаточный приток свежего воздуха. На уровне пола рекомендуется установить вытяжной вентилятор.

Над разгрузочным окном вспенивателя и приемной горловиной сушки необходимо установить вытяжные зонты, для предотвращения скапливания пентана (воздушно-пентановой смеси).

Рассмотренная схема производства вспененных гранул ПСВ на основе установки вспенивания ПП-40, позволяет получить до 60 м? готового материала за восьмичасовую рабочую смену.

Защита вспененных гранул от промерзания.

Необходимо защищать бункеры для вылежки гранул от воздействия крайне низких температур, поскольку это может привести к замерзанию материала, и следственно к потере им своих качеств. Помимо этого не забывайте что едва вспененные гранулы легко теряют объём при контакте с холодным воздухом. Температура ни в коем случае не должна опускаться ниже 10°С.

Производство блоков полистирола.

Формовочный агрегат представляет собой стальную конструкцию прямоугольной формы с двойными стенками, внутренние стенки, перфорированные по всей поверхности для обеспечения возможности поступления пара.

Технологический цикл функционирования формовочного агрегата протекает следующим образом:

1. Закрывание дверей.

2. Закрывание затворов.

3. Разогрев камеры. На этой стадии подается пар для разогрева камеры (эту операцию рекомендуется производить в начале работы каждой смены ).

4. Сброс конденсата. Сброс конденсата производится путем открывания спускного клапана и последующим сливом конденсата.

5. Загрузка материала. Открывается верхний борт и в формовочный агрегат загружается порциями материал.

6. Герметичное закрывание формовочного агрегата.

7. Первая подача пара. Пар подается в камеры, при этом линия слива конденсата должна быть обязательно открыта. Это позволяет пару пройти через всю толщу материала и одновременно со сливом конденсата произвести формовку. Содержание линии слива конденсата в открытом состоянии позволяет осуществить стабилизацию давления на значении, близком к атмосферному, что в свою очередь обеспечивает оптимальное распределение пара по всему объему материала.

8. Перекрытие линии слива конденсата.

9. Подача пара. Снова подается пар и агрегат выводится на рабочее давление (ориентировочно 0,5 кг/см?), по достижении заданной величины давления, начинается отсчет времени, предусмотренного на стабилизацию материала.

10. Стабилизация материала.

11. Открывание линии слива конденсата. Линия слива конденсата открывается, и конденсат пара сливается. При этом внутренне давление внутри камеры приводится в соответствии с давлением снаружи ее. Время открывания линии сброса, используется также как время охлаждения блока.

12. Открывание дверей.

13. Извлечение блока. Блок извлекается из агрегата, взвешивается и удаляется из рабочей зоны. По истечению кратковременного периода охлаждения, блоки укладываются в склад на хранения на период, длительность которого зависит от сферы применения будущей продукции, которая будет изготавливаться из этого материала.

Резка блока на листы.

По завершению вызревания блок подлежит резке на листы различной толщины. Для проведения этих операций используется установка для резки. С помощью разогретых струн диаметром 0,5 мм. Выполняется резка блока по высоте от 0 до 400 мм. Присутствие незначительного количества дыма вызвано неверной установкой скорости реза и температуры струны. Скорость резки установки определяется плотностью, шириной реза и диаметром струны, которые в этом случае составляют 0,5 мм. В непосредственной близости от установки рекомендуется постоянно держать в наличии огнетушители с двуокисью углерода.

Глава 2. ПОЛУЧЕНИЕ КЛЕЕВ ИЗ ОТХОДОВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

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 180-200 ?C. 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), и 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 является 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 -- обязательным условием создания малотоксичных смесей.

Поставленная задача решена нами установлением того факта, что растворителем отходов пенополистирола может быть живичный скипидар, на что получен Институтом Патент Украины. Живичный скипидар -- это углеводород растительного происхождения (ГОСТ 1571-82). Его получают из живицы (смола хвойных деревьев), которую перегоняют с паром и разделяют на летучую фракцию -- скипидар и нелетучий осадок -- канифоль. Скипидар содержит 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 300 000 тонн.

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, ученые 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 (точнее, огромный) 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 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% растворе содержат 2% полистирола в сухом остатке. Эти смеси прекрасно формуются и отверждаются кратковременной сушкой при температуре до 200 ?C. 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, фенолоформальдегидных, 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 и лаков (получены покрытия высокой твердости), строительных и теплоизолирующих пен. Бактерицидные свойства изготовленного из древесины хвойных пород живичного скипидара вместе с клеевыми свойствами описанного раствора можно использовать для производства клейкой ленты, герметика, а также на предприятиях по производству продуктов и медикаментов.

Глава 3. ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ДЛЯ СВЯЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

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.

пенополистирол клей отход литейный газифицуруемый

Глава 4. ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Проблемы экологической безопасности производств, утилизации отходов, экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов становятся все более острыми. В литейном производстве образуется значительное количество отходов, негативно влияющих на состояние окружающей среды. В частности, при использовании перспективного способа литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) образуются отходы производства моделей:

-- обрезки плит строительного пенополистирола, применяемого, в основном, для изготовления моделей литников и крупных моделей мелкосерийных партий отливок;

-- брак моделей, получаемых спеканием подвспененных гранул пенополистирола в пресс-формах.

Эти отходы перерабатывают различными способами. В условиях единичного производства их используют для склеивания отдельных частей моделей. Пенополистирол растворяют в ацетоне, бензоле, метилметакрилате, толуоле или других растворителях до образования насыщенного раствора. Им покрывают соединяемые поверхности, которые выдерживают 8-10 мин под небольшим давлением. При получении массивных отливок для улучшения газопроницаемости, выбиваемости, податливости форм в формовочные смеси вводят измельченные отходы пенополистирола. При сушке форм или при заливке сырых форм пенополистирол повергается деструкции, что увеличивает газопроницаемость формы и позволяет:

-- повысить скорость заливки при ЛГМ до величины, близкой к скорости при литье в пустотелые песчано-глинистые формы;

-- уменьшить в 2-4 раза производственные затраты на выбивку форм и стержней.

Ряд исследователей предлагают использовать отходы модельного производства для получения стержней, для чего пенополистирол растворяют в живичном скипидаре, замешивают с кварцевым песком в определенной пропорции, формуют, сушат.

Представленная работа посвящена установлению возможности использования отходов модельного производства при изготовлении газифицируемых моделей (ГМ) и определению влияния соотношения первичных и вторичных гранул на качество получаемых моделей и физико-механические свойства отливок.

С помощью специальной дробилки отходы измельчали до размеров, соизмеримых с первичными вспененными гранулами, и помещали на верхнее сито установки РАТАП, где в течение 15 мин происходило вибрационное просеивание. Для изучения влияния процентного содержания отходов на плотность и качество поверхности модели были отобраны гранулы диаметром 0,63 мм. Первичные гранулы полистирола марки NOVA Innovene EPS Grades (Швейцария) вспенивали влажным водяным паром при температуре 98-100 °С, после чего отбирали гранулы диаметром 0,63 мм. Затем вторичные и первичные гранулы (преимущественно одинаковой марки) смешивали в определенном соотношении и свободной засыпкой при воздействии динамического уплотнения вводили в пресс-форму для спекания, которое производили в автоклаве ГК 100-3М. Для определения плотности полученные модели взвешивали на электронных весах ВЛ Э134 с точностью 0,005 г. Размеры контролировали микрометром МК 1003 с ценой деления 0,01 мм. Шероховатость поверхности моделей определяли под микроскопом при увеличении в 130 раз.

Обнаружено, что при использовании одних и тех же пресс-форм и при прочих равных условиях спекания с ростом процентного содержания вторичных гранул шероховатость моделей повышается. Это объясняется низкой вспенивающей активностью вторичных гранул, оказавшихся на поверхности формируемой модели, в результате чего при повышенной температуре теплоносителя происходит их усадка и в поверхностном слое образуются области выступов по границам гранул.

Авторы исследовали влияние процентного содержания отходов пенополистирола в ГМ на заполняемость формы и скорость подъема фронта расплава в полости формы. Модели с 20, 35 и 50 об. % отходов, а также модель, изготовленную из первичного пенополистирола, после стабилизации в течение 16 ч покрывали водной цирконовой краской и заформовывали сыпучим наполнителем в контейнере с системой вакуумирования. Предварительно в каждой модели устанавливали контактные датчики, подсоединенные к прибору, фиксирующему скорость поднятия металла в форме. Исследования характера изменения движения расплава в форме позволили установить влияние процентного содержания отходов пенополистирола на жидкотекучесть и скорость подъема металла. Потери теплоты на термодеструкцию ГМ ведут к значительному снижению теплосодержания расплава, что сокращает время его пребывания в жидкоподвижном состоянии. Повышение содержания отходов пенополистирола в ГМ с 20 до 50 об. % приводит к увеличению заполняемости формы для стали 60Л на 12,2 % по сравнению с ГМ, изготовленной из первичных гранул пенополистирола. Ввиду меньшей плотности отходов скорость заполнения ГМ с увеличением процентного содержания отходов также несколько повышается по сравнению с контрольными ГМ, изготовленными из первичных гранул. В то же время в двух из пяти заливок по ГМ с 20 %-м содержанием отходов скорость была несколько ниже по сравнению с ГМ, изготовленными из первичного пенополистирола, хотя их плотность превышала плотность ГМ с отходами на 1 кг/м³. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что в процессе длительного вылеживания стирольные пленки вторичных гранул потеряли эластичность, в результате чего на их термодеструкцию необходимо было затратить большее количество теплоты заливаемого расплава.

На этапе покраски, формовки, заливки ГМ претерпевают знакопеременные нагрузки. Поэтому авторы изучили влияние на их прочность процентного содержания отходов. Установлено, что прочности на сжатие и изгиб для ГМ с содержанием вторичных гранул до 50 об. % достаточны для производства отливок способом ЛГМ.

Особый интерес представляют исследования влияния процентного содержания вторичных гранул в моделях на качество получаемого литья. По ГМ были отлиты партии стальных и чугунных деталей. Анализ физико-механических свойств, качества поверхности, структуры и газосодержания отливок показал несущественное отличие от характеристик деталей, отлитых по ГМ из первичного пенополистирола.

Предложенный способ переработки отходов модельного производства применен при изготовлении широкой номенклатуры отливок. Его внедрение позволяет повысить экономическую эффективность и экологическую чистоту технологического процесса ЛГМ.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В. Киреев. Высокомолекулярные соединения. М. Высшая школа, 1992.

2. Дж. Оудиан. Основы химии полимеров, М. "Мир", 1974.

3. Ю.Д. Семчиков, С.Ф.Жильцов, В.Н.Кашаева. Введение в химию полимеров. М. Высшая школа, 1988.

4. В.Р.Говарикер, Н.В.Висванатхан, Дж.Шридхар. Полимеры. М. Наука, 1990.

5. А.М. Шур. Высокомолекулярные соединения, М. Высшая школа, 1981.

6. Ю.Д. Семчиков Высокомолекулярные соединения: Учеб. для вузов. - М.: «Академия», 2005. - с. 256 - 263.

7. М. Мамедов Винилхлорид, Баку, Азерб. Гос. Изд., 1964

8. Г.Я. Гордон Винилхлорид. Краткая химическая энциклопедия, 1961.

9. М.В. Хрулев Поливинилхлорид, М.: «Химия», 1964.

10. Х. Юнгникель, Х. Виппенхон, Поливинилхлорид в промышленности, Стройиздат, 1961.

11. А.Н. Праведников Методы получения и свойства привитых и блоксополимеров, ВИНИТИ, 1958.

Размещено на Allbest.ru