APPLICATION OF THERMOPLASTIC POLYMER WASTE FOR THE PRODUCTION OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION PURPOSES
APPLICATION OF THERMOPLASTIC POLYMER WASTE FOR THE PRODUCTION OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION PURPOSES
Abstract
This work gives a general concept of polymer composite materials and their advantages in application as building materials and products, including diversity, lightness, strength, water resistance. The main problems of application of polymer composite materials in construction are taken into account, foremost, their high cost in comparison with other materials, as well as flammability, tendency to degradation and ageing characteristic for polymer base. Recommendations are given to reduce the disadvantages of polymer composite materials, and emphasis is placed on reducing their cost through the use of polymer waste. In addition, the relevance and problems of processing of wastes of thermoplastic polymers and polymer composite materials are considered, the relevance of their processing in the production of construction composite materials is substantiated. The most widespread examples of polymer wastes utilization for production of construction composite materials are considered. The technologies of joint utilization of several types of wastes, including polymeric wastes, as fillers and binders for production of materials and products for construction purposes are highlighted as the most perspective ones.
1. Введение
С давних времен в строительстве применяются такие материалы как камень, дерево и керамика. С развитием промышленности к этим материалам добавились и получили более широкое распространение металлические, бетонные и железобетонные конструкции, изделия из стекла и полимерных материалов , , . С 20 века в строительстве, наряду с другими областями человеческой деятельности, получили распространение композиционные материалы (композиты), в первую очередь полимерные композиционные материалы (ПКМ) , , .
По сравнению с другими строительными материалами, композиты обладают меньшим весом и отличаются многообразием форм, являются гибкими, прочными, стойкими к действию агрессивных сред и комбинируют в себе свойства других строительных материалов , . Эти преимущества обеспечиваются за счет того, что композиты представляют собой комбинации из двух или более индивидуальных компонентов, среди которых есть по крайней мере одно связующее (матрица), отвечающее за получение определенной конфигурации изделия и являющееся сплошной фазой для других компонентов, и по крайней мере один наполнитель, который в большинстве случаев применяется для повышения прочности и снижения усадки, но может обеспечивать и специфические свойства (повышать стойкость к различным внешним воздействиям, изменять теплотехнические характеристики и т.д.). Связующие бывают металлическими, полимерными и керамическими. В свою очередь полимерные связующие также бывают нескольких видов: термореактивные, термопластичные и комбинированные, в т.ч. с использованием эластомеров , .
Цель данной работы заключается в обосновании применения отходов из термопластичных полимеров в производстве строительных ПКМ в рамках решения таких проблем как снижение себестоимости ПКМ при сохранении их качества и защита окружающей среды от накопления в ней отходов.
2. Перспективы применения полимерных отходов в производстве ПКМ
Основными проблемами распространения ПКМ в строительстве являются их высокая стоимость, склонность к деструкции и старению, горючесть полимерных связующих и сложность переработки отходов ПКМ. Однако широкие возможности по применению различных сырьевых материалов и модификации свойств ПКМ позволяют свести к минимуму указанные недостатки. Склонность к деструкции и старению снижается введением в состав полимерных композиций различных стабилизаторов, а горючесть связующих можно уменьшить за счет введения антипиренов, в т.ч. негорючих наполнителей.
Проблема утилизации ПКМ, как и проблема утилизации полимерных отходов, являются на сегодняшний день одной из приоритетных задач в области переработки отходов , , . Сложность решения этих двух проблем с одной стороны заключается в увеличивающихся объемах и темпах накопления данных отходов, токсичностью продуктов их разложения и горения, с длительными сроками их разложения в естественных условиях. С другой стороны, утилизация данных отходов осложняется наличием определенной доли посторонних включений, в т.ч. из-за проблем с селективным сбором и сортировкой отходов, и снижением качества полимерного сырья в результате различного рода деструкций, возникающих как в процессе переработки, в т.ч. вторичной, так и во время эксплуатации изделий под действием внешних факторов (температуры, влажности, ультрафиолетового излучения и т.д.). В то же время надо учитывать, что полимеры являются ценным для производства сырьем, стоимость которого только увеличивается пропорционально росту цен на нефть и нефтепродукты.
Следовательно, переработка полимерных отходов и отходов ПКМ, особенно отходов потребления, в ответственные изделия практически невозможна. Уничтожение или захоронение этих отходов нерационально с экономической и экологической точек зрения. Поэтому наиболее перспективными методами утилизации являются переработка данных отходов совместно с первичным полимерным сырьем, утилизация в других производственных процессах или деполимеризация с получением вторичного химического сырья , . При этом смешивание с первичным сырьем ограничено по объемам в связи со снижением качества изделий, а деполимеризация является трудоемким и затратным процессом. В то же время наиболее актуальным направлением утилизации является производство строительных материалов. Это связано с малой стоимостью, крупнотоннажностью и простотой применяемых технологий, широким ассортиментом получаемой продукции и возможностью комплексной переработки нескольких видов отходов с получением полиматричных связующих и использованием разных отходов в качестве наполнителей , .
Например, при утилизации отходов из таких термопластов как полиэтилен, полипропилен и полистирол, в т.ч. при использовании смеси из этих полимеров, можно получить прочные и водостойкие композиты, где наполнителями являются кварцевый песок, стекловолокно, асбест и другие минеральные наполнители , , . Прочные и стойкие к горению изделия получают расплавлением термопластичных полимеров с последующим смешиванием с цементом и заливкой в формы , , . Такие материалы широко применяются в производстве облицовочных плиток, кирпича, брусчатки, черепицы, водоотводных люков, колодцев и т.д. , , .
При наполнении вторичного поливинилхлорида золой уноса может быть получен отделочный и конструкционный композит, который назван разработчиками винизол и отличается высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью, огнестойкостью и водостойкостью .
Вторичные термопластичные полимеры, в основном полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол, также часто используют как связующие для производства древесно-полимерных композитов (ДПК), наполненных древесной мукой, получаемой из древесных отходов , , . ДПК успешно применяют для производства полимерной доски (декинга), при обустройстве ограждений для грядок и клумб, веранд и т.д.
В качестве органических наполнителей для вторичных термопластов также возможно использование растительных отходов, например, шелухи и лузги, для производства изгородей, полов и облицовочных плит . Наполнение вторичного полиэтилена дисперсными отходами производства цементно-стружечных плит позволяет получить прочный материал с низким водопоглощением и высокой химической стойкостью для производства изделий технического или строительного назначения .
Порошкообразные полимеры, такие как поливинилхлорид, полиэтилен, полиформальдегид и др. используют и как наполнители для ПКМ из смесей полимерных отходов в тех случаях, когда температура переработки не превышает температуры их размягчения и плавления , . Из таких смешанных ПКМ получают строительные блоки, бруски, плиты, черепицу, армирующие профили, кровельные конструкции и т.п. К полимерным дисперсным наполнителям можно также отнести некоторые реактопласты и резиновую крошку, получаемую из изношенных автомобильных шин. С использованием резиновой крошки в качестве наполнителя можно получить прочный, гибкий и стойкий к воздействию агрессивных сред резинопласт, применяемый для производства плиток, гидроизоляционных и кровельных материалов .
Возможно использование вторичных нейлоновых волокон в качестве наполнителя для вторичного полиолефинового связующего с получением композитных напольных плиток, характеризующихся сочетанием прочности и легкости .
3. Заключение
Из представленной в данной работе информации следует, что вторичные термопластичные полимеры можно использовать и как связующие, и как наполнители для ПКМ, что дает возможность существенно снизить стоимость материалов и изделий из них, которая является одной из главных причин их низкого распространения в строительной отрасли. При этом переработка отходов из термопластичных полимеров в производстве ПКМ дает возможность получать качественную продукцию, сохраняя все преимущества ПКМ, способствует росту объемов их производства и расширению их ассортимента.
Кроме того, это направление утилизации позволяет существенно уменьшить темпы и объемы накопления полимерных отходов в окружающей среде при малых затратах на переработку.