CC BY
31
УДК 67.08:678:691.168
Бурмицкий М.С., Олихова Ю.В., Ивашкина В.Н.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА В СОСТАВЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ И АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Бурмицкий Максим Сергеевич, студент бакалавриата 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс; Олихова Юлия Викторовна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс, [email protected];
Ивашкина Вера Николаевна, ведущий инженер кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9.
В статье показаны преимущества применения полимерных модификаторов для улучшения свойств материалов, применяемых в дорожном строительстве. Проанализированы способы введения отходов сшитого полиэтилена в состав асфальтобетонных смесей. Исследованы свойства образцов сепараторов из отработанных аккумуляторных батарей для последующего применения в качестве добавки в полимерно-битумные вяжущие. Ключевые слова: сшитый полиэтилен, отходы, полимерно-битумное вяжущее, сепаратор, аккумулятор.
PROSPECTS OF APPLICATION OF PLASTIC WASTE IN THE COMPOSITION OF POLYMERBITUMEN BINDERS AND ASPHALT MIXTURES Burmitsky M.S., Olikhova Yu.V., Ivashkina V.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article shows the advantages of using polymer modifiers to improve the properties of materials used in road construction. The methods of introducing cross-linked polyethylene waste in the composition of asphalt mixtures were analyzed. The properties of samples of separators from spent batteries for subsequent use as an additive in polymer-bitumen binders were investigated.
Key words: cross-linked polyethylene, waste, polymer-bitumen binder, separator, battery.
Развитие дорожной сети в РФ невозможно без создания новых, эффективных дорожных материалов. Начиная с 2003 г., когда был утвержден ГОСТ 52056-2003, на законодательном уровне была установлена обязательность применения полимеров в составе битумных вяжущих, применяющихся при производстве асфальтобетонных смесей.
Асфальтобетонная смесь состоит на 94 мас. % из дисперсных минеральных наполнителей (щебня, гравия или песка различных фракций), а также других мелкодисперсных добавок, смешанных с полимерно-битумным вяжущим (ПБВ), содержание которого, как правило, составляет 6 мас. %. В составе ПБВ содержится 93-95 мас. % битума дорожных марок (БНД) и 2-6 мас. % полимерных и других технологических добавок (пластификаторов, разбавителей и пр.) [1]. Таким образом, доля полимерных модификаторов в составе асфальтобетонных смесей мала - менее 1%. Однако эта незначительная, на первый взгляд, добавка существенным образом влияет на весь комплекс свойств ПБВ, асфальтобетонных смесей и дорожных покрытий.
В качестве полимерных модификаторов ПБВ рекомендовано применение стирол-бутадиен-стирольного сополимера (СБС) [2]. Применяются также другие эластомеры и термоэластопласты (бутадиеновые и хлоропреновые каучуки, стирол-этилен-бутилен-стирольный сополимер и их аналоги). Введение этих модифицирующих добавок позволяет повысить эластичность, адгезионные свойства, теплостойкость вяжущих, позитивно сказывается на колеестойкости и долговечности
дорожных покрытий вследствие того, что они формируют при набухании в битуме пространственную сетку связей.
В последние годы большое внимание уделяется возможности использования в составе ПБВ различных полимерных отходов. Это объясняется необходимостью решения насущной экологической проблемы - утилизации все возрастающих объемов отходов данного типа. Основными источниками полимерных отходов являются предприятия по переработке пластмасс (бракованные изделия и отходы, которые не задействуются в дальнейшем производстве), промышленные и торговые предприятия (тара, упаковка и упаковочные материалы), отходы различных отраслей (например, сельскохозяйственная пленка), потребительские отходы (упаковка, старая одежда из синтетических тканей, вышедшие из строя изделия из пластмасс, в том числе мебель и прочие предметы интерьера, изношенные шины, автомобильные аккумуляторы и пр.).
Следует отметить, что полимерные отходы не только не ухудшают качество ПБВ, но способны придавать дорожным вяжущим особые свойства. Изучению влияния различного типа полимерных отходов на свойства ПБВ посвящено множество работ [3-5]. В настоящее время наибольшее распространение получили резинотехнические и шинные отходы, на основе которых получают резинобитумные вяжущие с повышенной эластичностью, а также смешанные полиолефиновые отходы упаковки, придающие ПБВ повышенную теплостойкость [6-9].
Интерес представляет поиск путей применения в составе дорожных материалов других полимерных отходов, таких как сшитый полиэтилен (РЕХ). Это трудно перерабатываемые отходы, поскольку наличие сетчатой структуры в РЕХ препятствует его растворению в ПБВ.
РЕХ используют для изготовления литьевых и выдувных емкостей, обладающих повышенной, по сравнению с полиэтиленовыми, размерной стабильностью, спортивных товаров, материалов для теплоизоляции и отделки автомобилей. Однако наиболее широкое применение он нашел в качестве кабельной изоляции, при изготовлении труб для холодного и горячего водоснабжения, элементов систем отопления. Огромное количество отходов, представленных в виде кабелей и труб, отправляется ежегодно на свалки, 20% из них - это РЕХ [10].
РЕХ получают методами силанольного, перекисного или радиационного сшивания. Доля гель-фракции значительно варьируется, но может достигать 70% и более [11]. В результате отходы РЕХ преимущественно захораниваются или сжигаются [12]. Известны способы повторного использования данных отходов в качестве модификатора первичного полиэтилена при изготовлении кабельной изоляции, изделий методом ротационного формования, добавки в бетон [13-16]. Однако особый интерес представляет применение отходов РЕХ при производстве материалов для дорожного строительства в связи с потенциально большими объемами утилизации.
Предложено два способа введения РЕХ в состав асфальтобетонных смесей: добавление
измельченных отходов к минеральной части (так называемый «сухой» способ) и «мокрый» способ, заключающийся во введении вторичного РЕХ в качестве модифицирующей добавки в состав ПБВ.
По-видимому, окрашивание раствора ацетона в сочетании с незначительной потерей массы объясняется частичным вымыванием наполнителя, пигментов или красителей из образцов.
Спектральные исследования проводили на ИК-Фурье-спектрометре Nicolet 380 (Thermo Scientific, США) c приставкой НПВО в диапазоне 4000-300 см-\ Было установлено, что пленки изготовлены из полиэтилена, наполненного кремнеземом. С учетом имеющихся данных о растворимости [19], можно предположить, что исследуемые образцы являются наполненным PEX, свойства которого приведены в таблице 2. Плотность р определяли по ГОСТ 1513969, содержание летучих Х - по ГОСТ 26359-84, водопоглощение W - по ГОСТ 4650-2014 при
При использовании «сухого» способа по данным [17] наблюдалось уменьшение деформации, увеличение усталостной прочности асфальтобетона, улучшилась адгезия между битумом и заполнителями. Авторами [18] показано, что замена 5 мас. % гранитных заполнителей асфальтобетонной смеси отходами РЕХ приводит к повышению температуры размягчения и снижению плотности смеси на 5%, однако не способствует повышению водостойкости и эластичности асфальтобетонных смесей. Введение отходов непосредственно в битум позволяет повысить деформационную устойчивость, снизить термочуствительность, повысить
теплостойкость битумных вяжущих при одновременном повышении их жесткости.
PEX применяется при производстве сепараторов автомобильных аккумуляторов [19, 20]. Сепараторы являются тонкими пористыми листами-перегородками, производимыми из различных полимерных материалов, служащими для разделения разнополярных электродов [21]. В данной работе были определены свойства двух фрагментов сепараторов из отработанных батарей свинцово-кислотных аккумуляторов.
Визуально образцы представляли собой гибкие пленки различных оттенков серого цвета. При воздействии на образцы пламени горелки они не плавились.
Одним из важнейших свойств полимеров является их растворимость. Результаты определения растворимости исследуемых образцов, оцениваемой качественно (по изменению внешнего вида) и по изменению массы после выдержки в ацетоне и толуоле (Лтацет и Лттол) в течение 3 суток при комнатной температуре представлены в таблице 1.
температуре 23 °С и после выдержки в кипящей воде в течение 30 мин.
Таблица 2. ^ Свойства исследуемых образцов_
Образец P, Х, W, %
г/см % 23 °С Кип. вода
1 1,7991 45,7 68,8 48,6
2 1,8183 44,7 80,5 65,5
Значения плотности образцов свидетельствуют о том, что пленки являются наполненными. Количество наполнителя, вводимого в состав материалов для изготовления сепараторов, варьируется от 15-20 до 120-250 мас. ч. на 100 мас. ч. полимера [20]. Значительное водопоглощение образцов объясняется их пористой структурой и наличием гигроскопичного наполнителя. Пористость сепараторов, как правило, находится в диапазоне 20-70% в зависимости от вида
Таблица 1. Растворимость исследуемых образцов
Образец Растворители
Ацетон Толуол
Внешний вид Л^ацет, % Внешний вид АШтол, %
1 Раствор окрасился в серый цвет -0,6 Изменения отсутствуют -
2 Раствор окрасился в серый цвет -0,7 Изменения отсутствуют -
сепаратора и материала, из которого он изготовлен. Пористая структура пленок, из которых изготавливают сепараторы, будет способствовать более равномерному распределению битума в объеме частиц PEX в процессе введения измельченных отходов в состав ПБВ. Измельчение отходов может осуществляться на различном оборудовании, в результате чего частицы будут иметь разные размеры и гранулометрический состав. В работе отходы PEX измельчали на ножевой дробилке. Размер частиц не превышал 10 мм. После отсева фракцию 0,63-2,00 мм подвергли крекингу в гудроне для получения продуктов с меньшей молекулярной массой. Процесс проводили при 300 °С в течение 4 ч. При этом наблюдалось незначительное набухание частиц в гудроне. Полученную смесь вводили в ПБВ, однако добиться получения однородного вяжущего не удалось. Работы оптимизации параметров крекинга и подбору компонента, способствующего равномерному распределению отходов PEX в вяжущем, продолжаются.
Анализ применения отходов сшитого полиэтилена в составе асфальтобетонных смесей показал, что возможно его введение в ПБВ совместно с минеральными компонентами смесей и добавление в качестве модификатора в битум. Второй путь требует подбора компатибилизатора для получения однородного ПБВ, свойства которого будут соответствовать ГОСТ. Перспективным следует считать применение данного вида отходов в несущем основании и дополнительных слоях основания дорожной одежды. Это позволит уменьшить объемы захоронения и снизить экологическую нагрузку от отходов сшитого полиэтилена.
Список литературы
1. Соломенцев А.Б. Классификация и номенклатура модифицирующих добавок для битума // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2008. - № 1. -С. 14-16.
2. ГОСТ Р 52056-2003. Вяжущие полимерно-битумные дорожные. Технические условия (принят и введен в действие Постановлением Госстандарта РФ от 23.05.2003 № 157. М.:СТАНДАРТИНФОРМ, 2007. 8 с.
3. Bleiro L., Moreno-Navarro F., Tauste-Martínez R., Jose Matos J., Rubio-Gámez M.C. Reclaimed polymers as asphalt binder modifiers for more sustainable roads: A Review//Sustainability. - 2019. - 11. - 646 p.
4. Ширяев А.О. Полимерные модификаторы битумных вяжущих// Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. - 2017. -№ 11. - С. 48-54.
5. Costa, L.M.; Silva, H.; Oliveira, J.R.; Fernandes, S.R. Incorporation of waste plastic in asphalt binders to improve their performance in the pavement//International Journal of Pavement Research and Technology. - 2013. - № 6. - P. 457-464.
6. Лукьянова М. А., Вахьянов Е. М. Обоснование рационального состава битумных вяжущих модифицированных резиновой крошкой // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2015. - № 4 (110). - С.143-146.
7. Осипчик В.С. Повышение эксплуатационных свойств резинонаполненных битумных вяжущих//Вестник технологического университета. -2016. - Т.19. - № 8. - С. 50-53.
8. Костромина Н.В. Утилизация резиновой крошки из отработанных автомобильных шин для модификации битумных вяжущих// Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: сб. ст. VI Всерос. конф. с международным участием (Чебоксары: ЧГУ им. И.Н. Ульянова). - 2016. С. 66-67.
9. Осипчик В.С. Резинонаполненный дорожный битумный материал с улучшенными эксплуатационными свойствами// Вестник технологического университета. - 2016. - Т. 19. - № 22.
- С. 57-60.
10. The Shell Bitumen Handbook. Fifth Edition. ShellBitumen. - 2003. - 460 р.
11. Николаев О.О., Бритов В.П. Анализ и технологические решения вторичной переработки полимерных отходов кабельной промышленности // Материалы межд. науч.-практ. конф. Машины, агрегаты и процессы. Проектирование, создание и модернизация, СПб. : 2019. - С.102-106.
12. Singh P., Deparrois N., Burra K.G., Bhattacharya S., Gupta A.K. Energy recovery from cross-linked polyethylene wastes using pyrolysis and CO2 assisted gasification // Applied Energy. - 2019. - 254. - 113722. doi:10.1016/j.apenergy.2019.113722.
13. Freitas R.S., Bonse B.C. Cross-linked polyethylene (XLPE) as filler in high-density polyethylene: Effect of content and particle size // AIP Conference Proceedings. -2019. - Vol. 2055. - 020009. doi:10.1063/1.5084810.
14. Sirisinha K., Chuaythong P. Reprocessable silane-crosslinked polyethylene: property and utilization as toughness enhancer for high-density polyethylene // Journal of Materials Science. - 2014. - Vol. 49. - P. 5182-5189.
15. Diaz S., Kearns M. P., Ortega Z., Benitez, A. N. Recycling of polymeric fraction of cable waste by rotational moulding // Waste Management. - 2018. - V. 76.
- № 6. - P. 199-206.
16. Zehila G.-Ph., Assaadb J.J. Feasibility of concrete mixtures containing cross-linked polyethylene waste materials // Construction and Building Materials. - 2019. -V. 226. - P. 1-10.
17. Kalantar Z.N.; Karim M.R.; Mahrez A. A review of using waste and virgin polymer in pavement // Construction and Building Materials. - 2012. - № 33. - P. 55-62.
18. Costa L., Peralta J. Oliveira J., Silva H. A new life for cross-linked plastic waste as aggregates and binder modifier for asphalt // Applied Science. - 2017. № 7. - P. 3-16.
19. Состав и структура полимерсодержащих отходов ОАО "Белцветмет" / О. И. Карпович [и др.] // Труды БГТУ. - Минск: БГТУ, 2015. - № 4 (177). - С. 74-77.
20. Современные технологии производства сепараторов для аккумуляторных батарей из полимерных материалов / Р.Г. Ибрагимов [и др.] // Вестник технологического университета. - 2017. - Т.
20. - вып. 18. - С. 52-64.
21. http://newchemistry.ru/letter.php?n_id=794 (дата обращения: 02.05.2020)
