Результат интеллектуальной деятельности: Способ переработки полимерных отходов и стекольного боя с получением облицовочных и отделочных материалов

Изобретение относится к области получения композиционных строительных материалов и может быть использовано для облицовки и отделки наружных и внутренних стен зданий и сооружений.

Известен способ утилизации пыли отходящих газов металлургического производства [1], основанный на предварительном смешивании пыли от сухой очистки технологических и аспирационных газов электросталеплавильного производства, которая служит наполнителем конечного продукта, с двумя дополнительными компонентами, при этом в качестве первого из них используют дробленые отходы поливинилхлорида низкого давления, которые служат связующим, а в качестве второго используют разбавленные спирто-толуольным растворителем эпоксидные смолы с добавлением микрофибрового волокна, в течение 15-20 минут до равномерного распределения компонентов, и получении конечного продукта путем основного смешивания в течение 10 минут с разогревом смеси в процессе смешивания до температуры 380-400°C.

Недостатками данного способа являются нестабильность состава пыли, сложность многокомпонентного состава и высокая температура термообработки смеси. Это приводит к нестабильности свойств изделий, усложнению и повышению энергоемкости технологии.

Известен способ производства композитных строительных изделий [2], согласно которому подробленные бытовые отходы полимерных материалов и карбонатного наполнителя фракцией до 5 мм засыпают в экструдер, где они с помощью многосекционного шнека перемешиваются с расплавленным полимером и в виде однородной массы поступают в экструзионную головку. Проэкструдированный под давлением 50-80 кг⋅с/см² через формующую головку экструдат разрезают на изделия и охлаждают. В качестве карбонатного наполнителя используют отходы камнепиления и переработки известняков-ракушечников или нуммулитовых известняков и/или отходы дробления и переработки известняковых пород на щебень фракцией до 5 мм.

Недостатками данного способа является нестабильность состава и большой разброс в размерах частиц наполнителя, что приведет к нестабильности свойств изделий. Другим недостатком данного способа являются низкие прочностные характеристики изделий (5-15 МПа).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ переработки полимерных отходов с получением строительного материала [3]. В изобретении используют несортированные отходы термопластичных полимеров - ПЭНД, ПЭВД в количестве 10-50 мас. %. Отходы предварительно измельчают. Смешивают с глиной влажностью 8-12%. Формуют и прессуют изделие при удельном давлении 10 МПа. Полученный материал высушивают при комнатной температуре до постоянного веса и подвергают температурной обработке со скоростью подъема температуры 20°C/мин. Продолжительность выдержки при температуре плавления полимера - 90-180 мин.

Недостатками данного способа являются низкие прочностные характеристики материала при содержании отходов термопластичных полимеров в количестве 10-20 мас. %, нестабильность свойств, связанная с различием гранулометрического состава отходов термопластичных полимеров после измельчения, большая продолжительность стадий сушки и термообработки, высокая энергоемкость процесса в целом.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение прочностных характеристик строительного материала с получением свойств, достаточных для применения в качестве облицовочного и отделочного материала, при содержании отходов термопластичных полимеров не более 20 мас. %, повышение стабильности свойств получаемого композиционного материала, снижение продолжительности и энергоемкости производственного процесса.

Для достижения поставленных задач в заявляемом изобретении предлагается предварительно переводить измельченные отходы термопластичных полимеров в жидкое состояние при помощи растворителя с получением раствора связующего, после смешивать раствор связующего с наполнителем, затем проводить холодное прессование и термообработку при температуре кипения растворителя. При этом рецептура композита содержит не менее двух составляющих, из которых первое выступает в роли связующего (раствор отходов термопластичных полимеров), второе является наполнителем и вводится для снижения усадки и повышения прочностных характеристик (стекольный бой, в частности листового оконного стекла).

В заявляемой технологии для получения раствора связующего предлагается использование отходов термопластичных полимеров, состоящих из непластифицированного поливинилхлорида (НИВХ), в частности отходов строительных профилей и отделочных панелей, и применение метилена хлористого технического первого сорта по ГОСТ 9968-86 в качестве растворителя.

По предлагаемой в данном изобретении технологии отходы НИВХ предварительно измельчают в ножевой дробилке и смешивают с метиленом хлористым техническим в соотношении 1:1,5 - 1:2,5 до получения раствора связующего. Полученный раствор связующего смешивают до равномерного распределения компонентов с фракцией стекольного боя с размером частиц не более 0,63 мм, полученной при измельчении в молотковой мельнице стекольного боя. Перед измельчением стекольный бой высушивается до постоянной массы при температуре 100°C. Полученную смесь раствора связующего и стекольного боя помещают в матрицу пресс-формы и формуют на гидравлическом прессе при удельном давлении 8 МПа. Полученные заготовки помещают в термошкаф и подвергают обработке при температуре 45-50°C с выдержкой в течение 45-90 мин в зависимости от габаритов изделия. Скорость подъема температуры составляет 20°C/мин.

Перевод связующего в жидкое состояние при помощи растворения имеет преимущества перед плавлением. При растворении полимеров нет необходимости проводить строгий контроль размеров частиц после предварительного измельчения. При перемешивании наполнителя с раствором связующего достигается большая степень однородности по сравнению с перемешиванием наполнителя со связующим в порошкообразном состоянии, что дополнительно способствует снижению давления прессования. Это позволяет повысить качество и стабильность свойств изделий, снизить энергоемкость производственного процесса. Дополнительные преимущества заключаются в упрощении режима термообработки. В первую очередь снижается температура выдержки, так как температура кипения растворителя (для метилена хлористого технического составляет 40°C) значительно ниже температуры плавления полимера (для НПВХ составляет 165-170°C). Также следует учесть, что при колебаниях или нарушении температурно-временного режима отсутствует вероятность термодеструкции полимера.

Замена глины с влажностью 8-12% на стекольный бой, который предварительно высушивается до постоянной массы, позволяет исключить из технологического цикла стадию сушки материала, которая в известном способе [3] проводилась при комнатной температуре и занимала продолжительное время.

Выбор содержания раствора связующего в рецептуре композита направлен на достижение прочностных и других эксплуатационных свойств материала. При содержании раствора связующего в рецептуре менее 30 мас. % материал обладает высокой открытой пористостью, что приводит к излишнему увеличению водопоглощения и снижению морозостойкости. При содержании раствора связующего в рецептуре более 60 мас. % происходит незначительное повышение прочности композиционного материала и повышается себестоимость продукции.

При соотношении НПВХ и метилена хлористого технического в составе раствора связующего менее 1:1,5 содержания растворителя недостаточно для достижения раствором связующего вязкости, достаточной для эффективного перемешивания. Кроме того, при низком содержании метилена хлористого технического в рецептуре происходит быстрое застывание раствора связующего за счет высокой летучести растворителя. При соотношении НПВХ и метилена хлористого технического в составе раствора связующего более 1:2,5 содержание растворителя приводит к излишней влажности смеси после смешивания раствора связующего с наполнителем, что усложняет формование холодным прессованием. Также избыток метилена хлористого технического приводит к недостаточному количеству НПВХ после испарения растворителя, что не позволяет достичь требуемых свойств готовых изделий.

При соотношении НПВХ : метилен хлористый технический равном 1:1,5 количество отходов НПВХ при содержания раствора связующего в рецептуре композита в количестве 30 мас. % будет соответствовать 8,6-12 мас. %, а при соотношении НПВХ : метилен хлористый технический равном 1:2,5 количество раствора связующего в рецептуре композита в количестве 60 мас. % составит 17-24 мас. %.

Обоснованность и преимущества заявляемого изобретения основаны на измерении физико-механических и эксплуатационных показателей образцов с различным содержанием стекольного боя (от 40 до 70 мас. %), НПВХ (от 10 до 20 мас. %), метилена хлористого технического (от 20 до 40 мас. %) и могут быть проиллюстрированы следующими примерами:

1. Смешивают 10 мас. % отходов НПВХ и 20 мас. % метилена хлористого технического для получения раствора связующего для последующего смешивания с 70 мас. % стекольного боя. Из полученной смеси изготавливают материал по предлагаемому способу;

2. Смешивают 12 мас. % отходов НПВХ и 24 мас. % метилена хлористого технического для получения раствора связующего для последующего смешивания с 64 мас. % стекольного боя. Из полученной смеси изготавливают материал по предлагаемому способу;

3. Смешивают 14 мас. % отходов НПВХ и 28 мас. % метилена хлористого технического для получения раствора связующего для последующего смешивания с 61 мас. % стекольного боя. Из полученной смеси изготавливают материал по предлагаемому способу;

4. Смешивают 16 мас. % отходов НПВХ и 32 мас. % метилена хлористого технического для получения раствора связующего для последующего смешивания с 52 мас. % стекольного боя. Из полученной смеси изготавливают материал по предлагаемому способу;

5. Смешивают 20 мас. % отходов НПВХ и 40 мас. % метилена хлористого технического для получения раствора связующего для последующего смешивания с 40 мас. % стекольного боя. Из полученной смеси изготавливают материал по предлагаемому способу;

Основные физико-механические свойства материалов, изготовленных по предлагаемому и известному (при содержании отходов термопластичных полимеров от 10 до 20%) способам, представлены в табл.1.

Технико-экономическая эффективность заявляемого изобретения по сравнению с известным способом позволяет повысить прочностные характеристики получаемого материала, сократить длительность и энергоемкость производственного процесса за счет перевода связующего в жидкое состояние при помощи растворителя, исключения стадии сушки, уменьшения удельного давления прессования, уменьшения температуры и сокращения длительности термообработки.

Источники информации

1. Патент на изобретение №2587165, кл. C08J 5/12; С22В 7/02, 2016

2. Патент на изобретение №2629033, кл. С04В 18/04, 2017

3. Патент на изобретение №2327712, кл. C08J 11/06; C08L 23/06; С04В 14/10, 2008