Recykling materiałów poliuretanowych

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat widoczny jest intensywny rozwój materiałów polimerowych, co ściśle wiąże się też z powstawaniem odpadów zarówno poużytkowych, jak i poprodukcyjnych. Narastające problemy z zagospodarowaniem coraz większych ilości odpadów i wynikające z tego zagrożenie dla środowiska naturalnego oraz nowe rozwiązania legislacyjne w państwach wysoko uprzemysłowionych spowodowały wzrost zainteresowania środowisk badawczych i przemysłu wydajnymi metodami utylizacji odpadów tworzyw sztucznych.

Spośród materiałów polimerowych poliuretany (PUR) należą do tworzyw, których odpady są trudne do zagospodarowania ze względu na ich różnorodność oraz usieciowaną i spienioną postać najczęściej wytwarzanych wyrobów. Przy odzyskiwaniu materiałów PUR znaczenie mają metody reaktywne, w których wykorzystuje się reaktywność ugrupowań uretanowych, a także innych grup funkcyjnych obecnych lub wygenerowanych w procesie przetwórstwa odpadu. Obecnie największe zastosowanie mają: tzw. „rebounding”, czyli technika spajania w prasach rozdrobnionego recyklatu przy użyciu środków wiążących, prasowanie tłoczne, wytłaczanie reaktywne i proces glikolizy.

Procesy recyklingu wymagają ogrzewania materiałów. Sposób dostarczenia energii w wielu wypadkach może odgrywać kluczową rolę, biorąc pod uwagę zarówno rozwiązywanie problemów technologicznych, efekty ekonomiczne, jak i właściwości przetworzonego odpadu. Jednym z nowoczesnych rozwiązań jest prowadzenie procesów recyklingu w warunkach ogrzewania mikrofalowego. Wśród zalet prowadzenia różnych procesów, w tym recyklingu z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego, wymienić należy przede wszystkim:

• bezkontaktowe ogrzewanie reagentów,
• ogrzewanie objętościowe całej masy reakcyjnej,
• możliwość szybkiego przerwania ogrzewania,
• redukcja czasu prowadzenia procesów,
• mniejsze zużycie energii,
• specyficzne efekty mikrofalowe (selektywność reakcji)

W Polsce procesy odzysku materiałów polimerowych termoplastycznych (PA, PET) i usieciowanych (PUR) w warunkach ogrzewania mikrofalowego są obecnie prowadzone w skali laboratoryjnej, a wdrożenie przemysłowe przewidywane jest w najbliższych latach.

Głównym celem metod recyklingu chemicznego jest otrzymanie produktu ciekłego, o właściwościach kwalifikujących go do powtórnego zastosowania. Jeden z podstawowych problemów dotyczących recyklingu PUR wynika z tego, że tworzywa te produkowane są przy użyciu wielu różnorodnych surowców. Dlatego też często ich odpady wymagają opracowania odmiennych metod utylizacji. Do tej pory w literaturze opisano wiele metod prowadzenia recyklingu chemicznego PUR. Możliwe jest to poprzez reakcję z wodą (hydroliza), alkoholami (alkoholiza), aminami (aminoliza), jak również poprzez inne reakcje degradacji.

W Katedrze Chemii i Technologii Tworzyw Sztucznych Politechniki Krakowskiej doświadczenia z zakresu prowadzenia glikolizy w warunkach konwencjonalnych pozwoliły na opracowanie nowej metody realizacji tego procesu z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego. Wprowadzenie takiego rozwiązania umożliwiło zarówno dalsze obniżenie kosztów, jak i korzystne zmiany we właściwościach otrzymywanych glikolizatów.

Produkty glikolizy muszą być właściwie scharakteryzowane, aby mogły być użyte w nowych systemach PUR. Do najważniejszych właściwości fizyko-chemicznych glikolizatów, które powinny być określone, należą: liczbowo średni ciężar cząsteczkowy, funkcyjność, liczba hydroksylowa, liczba aminowa, liczba kwasowa, zawartość wody i lepkość. Pierwszy z tych parametrów najlepiej zmierzyć metodą osmometrii parowej lub chromatografii żelowej. Na podstawie liczbowo średniego ciężaru cząsteczkowego oraz liczb hydroksylowej i kwasowej obliczyć można funkcyjność glikolizatu. Natomiast wartości liczby aminowej są źródłem informacji o reaktywności produktów glikolizy. W określeniu charakterystycznych liczb hydroksylowej, kwasowej i aminowej pomocny jest titrator automatyczny. Kolejnym istotnym z aplikacyjnego punktu widzenia parametrem jest lepkość glikolizatu. Należy pamiętać, że produkty glikolizy mogą zawierać części stałe w postaci pigmentów i/lub napełniaczy. Dlatego pomiary lepkości powinny być wykonywane na próbkach o objętości co najmniej kilku cm3.

W glikolizatach odpadów PUR znajduje się również woda, której zawartość przekracza 0,1% wag. Dlatego też produkty glikolizy najlepiej jest stosować w systemach do wytwarzania sztywnych pianek poliuretanowych, gdyż wodę można uwzględnić przy ich komponowaniu. Obecność amin w produkcie glikolizy również brana jest pod uwagę przy komponowaniu nowego systemu poliuretanowego i umożliwia zmniejszenie w nim udziału drogich i lotnych katalizatorów. Ponadto pianki sztywne używane jako materiały termoizolacyjne mają wieloletnie zastosowanie i w związku z tym w krótkim czasie nie powstaje kolejny odpad poużytkowy.

Modyfikacja systemów poliuretanowych do otrzymywania materiałów termoizolacyjnych produktami glikolizy pozwala na regulowanie właściwości wyrobu gotowego przy jednoczesnym zagospodarowaniu wartościowych odpadów poliuretanowych. Optymalna ilość produktów glikolizy, którą można zastąpić petrochemiczne składniki poliolowe w komponowanych systemach poliuretanowych, wynosi od 15 do 30% wag. Takie kompozycje zapewniają uzyskanie wyrobów o podobnych, a czasami nawet korzystniejszych właściwościach fizykomechanicznych pianek w porównaniu z odpowiednimi systemami bez produktów recyklingu chemicznego.

Literatura:

1. A. Prociak, Recykling odpadów poliuretanowych, „Rynek Chemiczny” 2006, nr 12, s. 33–35.
2. D. Bogdał, A. Prociak, Microwave-Enhanced Polymer Chemistry and Technology, Blackwell-Wiley 2007.
3. A. Prociak, D. Bogdał, J. Pielichowski, Recykling wybranych tworzyw sztucznych w polu promieniowania mikrofalowego, „Chemik” 2007, nr 4, s. 218–221.