Сферопласты и проблемы их утилизации

Полости внутри конструкции могут быть непрерывными по всей длине изделия (к примеру, полый кирпич, полые отделочные панели), могут быть равномерно распределены по всему объему (газобетон) или представлять собой сотовые композиции. Все эти материалы находят свое применение, но у них существуют и отрицательные свойства, которые сокращают сферы применения. К примеру, чтобы улучшить звуко- или теплоизоляцию строительных панелей, повысить прочностные характеристики сотовых панелей полости могут быть заполнены синтактными или другими видами пен.

Синтактные пены или сферопласты — это вид газонаполненных композиционных материалов, наполнителями в которых служат различные полые сферические частицы, равномерно распределенные в полимерном связующем. Чаще всего данный вид композитов находит применение в авиа- и судостроении, строительстве, так как изделия отличаются не только хорошими теплоизоляционными характеристиками, но и высокой плавучестью с низким коэффициентом влагопоглощения [2].

Синтактные пены нашли свое применение не только, как заполнители внутреннего пространства монолитных изделий, но и как самостоятельные материалы для создания макетов в натуральную величину (прототипирование), технической оснастки для полимерных композиционных материалов, в качестве теплоизоляционных панелей в печах, а также для других изделий и работ, где требуется легкость конструкции при большом объеме.

В зависимости от сферы применения и требований к предъявляемым материалам состав композиций сферопласта может меняться. Наиболее широко применяются материалы на основе эпоксидных связующих, наполненных стеклянными микросферами, образующие монолитную границу раздела за счет хорошей адгезии матрицы к поверхности стекла [3].

Как и любой материал сферопласты имеют свои недостатки. Один из них, низкая сдвиговая прочность, это сильно затрудняет использование данных материалов в тонких сотовых и сэндвич панелях, а также, как самостоятельный материал в ответственных узлах и изделиях.

При создании сферопласта может образовываться не только закрытая ячеистая структура, но открытая. Материалы с открытой пористой структурой характеризуются низкой плавучестью, большой влагоемкостью, что еще больше ограничивает сферу применения и снижает ценность [4, 5].

Как и любые другие материалы сферопласты имеют конечный срок службы, а при производстве изделий образуются различные отходы синтактных пен. Учитывая, что в качестве связующего используются термореактивные смолы, то вторичная переработка данных материалов крайне затруднительна. По требованию природоохранного и санитарно-эпидемиологического законодательства [6] накопление отходов возможно на срок не более 11 месяцев, а что делать с ними дальше? Закон требует их дальнейшей сортировки, разборки, очистки и подготовки к утилизации или обезвреживанию.

Так что же делать, просто измельчить и выбросить на свалку? Сжечь? Деполимеризовать и деструктировать? На данный момент нет ни единого мнения, ни решения данного вопроса. Вопросы по переработке, утилизации и вторичном использовании той или иной группы композитных изделий решаются в малом и узком направлении в связи со сложностью и неоднозначностью.

Известно, что вторичные материалы сильно уступают в эксплуатационных свойствах своим предшественникам, а для получения изделий, сравнимых по качеству с первоначальными (если это вообще достижимо), требуются более дорогие технологии и тщательная подготовка исходного отработанного сырья. Наиболее частое применение изделия из вторсырья находят в таких сферах, как строительство (как наполнители строительных смесей), облицовочно-декоративных (замена дорогостоящих связующих или наполнителей) и очистных (в качестве сорбционных систем), в изделиях не требующих экстремальных нагрузок [7].

Существуют работы по утилизации отходов синтактных пен [8], в ходе которых они измельчаются до размеров 0,5–4,0 мм, после чего добавляются в качестве наполнителя в бетонные смеси, из которых формуются плитки для создания дорожных покрытий и декорирования пешеходных дорожек. Несмотря на то, что авторы, заявляют об увеличении прочностных характеристик разработанных бетонных плит по сравнению с аналогичными изделиями, содержащими отходы горноперерабатывающих предприятий, но очевидно, что сохранить уникальность структуры полой сферы при механическом измельчении до такого малого размера невозможно. На рисунках 1 и 2 представлены электронные микрофотографии сколов сферопластика, полученные при увеличении поверхности в 400 и 900 раз.

Рисунок 1. Электронная фотография поверхности сферопластика. Увеличение в 400 раз

Рисунок 2. Электронная фотография поверхности сферопластика. Увеличение в 900 раз

Сколы были получены одноактными ударами молотка. Видно, что даже при таком щадящем механическом воздействии большинство сфер лопнули. Можно наблюдать их остатки в виде микрочешуек стекла, загрязняющих поверхность, или лунки от них в монолитной матрице. Очевидно, что любое механическое воздействие на отходы синтактных пен привет к тому, что будет получена смесь крошки полимера и стекла, введение которой в строительные смеси не сильно отличается от введение любых других отходов стекломатериалов.

Поиск новых методов переработки отходов сферопластиков с сохранением уникальных свойств полых сфер является несомненно интересным и востребованным направлением для дальнейших исследований.

Список литературы

1. Аралов, Р.С. Анализ использования облегченных конструкций монолитных плит в российской и зарубежной практике / Р.С. Аралов, В.И. Римшин //Проблемы науки. - № 7 (20), 2017. – с. 24 – 29
   
2. ГОСТ 32794-2014. Композиты полимерные. Термины и определения = polymer composites. Terms and definitions : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 октября 2014 г. № 1333-ст: введен впервые : дата введения 2015-09-01 / разработан Объединением «Союз производителей композитов» совместно с ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов». – Москва : Стандартинформ, 2015. – с. 94. – Текст : непосредственный.
   
3. Рыженков, А.В. Обзор связующих веществ в синтактных пенах для теплоизоляционных конструкций объектов энергетики / А. В. Рыженков и др. // Энергетическая безопасность Союзного государства: сборник материалов секции, 6 – 11 октября 2014 года / Бел. нац. тех. ун-т «МЭИ». – Минск : БНТУ, 2014. – С. 133-145.
   
4. Перовская, К.А. Микросферические наполнители для пластмасс // Материалы XII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» [URL: scienceforum.ru 2020/article/2018019792] (дата обращения: 11.12.2023 )
   
5. Чурсова, Л.В. Разработка полимерных синтактных и пеноматериалов нового поколения с повышенными эксплуатационными характеристиками / Л.В. Чурсова, И.И. Соколов, А.И. Лукина //Изв. вузов. Химия и хим.технология. 2017, т.60, вып.2. – с. 67 – 73.
   
6. Российская Федерация. Законы. Об отходах производства и потребления : Федеральный закон №89-ФЗ [принят Государственной думой 22 мая 1998, одобрен Совером Федерации 10 июня 1998 года с изменениями и дополнениями от 01 октября 2023 года] : [сайт]. – Москва, 2023 - . – URL: www.consultant.ru (дата обращения 01.12.2023). – Текст : электронный.
   
7. Снежков, В.В. Полимерные отходы – в готовые изделия / В.В. Снежков, Г.В. Речиц // Твердые бытовые отходы, №1 (55). – 2011. – с. 16 – 19
   
8. Congcong, Jiang Recycling of waste ceramic foams as fine aggregates in pervious concrete/Cong Cong Jiang, Xin Cheng //The Royal Society of Chemistry Advances, 2020. - 10. – pp. 2364 – 2367