Важно, что эти связующие могут отверждаться при комнатной температуре, а также при подсушке с температурой не выше 180–200 ºC. Это показали нижеописанные разработки Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины (г. Киев), в результате которых созданы указанные связующие — 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), 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 ºC. 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.
