KECZÁNNÉ ÜVEGES Andrea1, BERECZ Nikolett 2, SZALÓKI Melinda 3
1egyetemi docens (Ph.D), auveges@eng.unideb.hu
1Környezetmérnöki Tanszék, Debreceni Egyetem
2környezetmérnök MSc-s hallgató, bereczniki1994@freemail.hu
2Környezetmérnöki Tanszék, Debreceni Egyetem
3adjunktus (Ph.D), szaloki.melinda@dental.unideb.hu
3Bioanyagtani és Fogpótlástani nem önálló Tanszék, Debreceni Egyetem
Kivonat: Jelen tanulmányban az elektronikai hulladékfeldolgozás során képződő poliuretán (PUR) por hulladék mechanikai újrahasznosításával foglalkoztunk. Kísérleteink során „poliuretán-kompozitokat” állítottunk elő, melyek mátrix anyagát a kereskedelmi forgalomban kapható kétkomponensű poliuretán gyanta, szerves töltőanyagát pedig a hulladékfeldolgozás során keletkező PUR por frakció képezte. Kontroll anyagként szintén a kereskedelmi forgalomban kapható két komponensű poliuretán gyantát alkalmaztuk. Vizsgáltuk a gyanta töltőanyag felvevő képességét, az előállított „PUR-kompozitok” mechanikai tulajdonságait, valamint vízfelvevő képességét.
Kulcsszavak: poliuretán, mechanikai újrahasznosítás, poliuretán kompozitok, szerves töltőanyag
Abstract: In this paper, we dealt with the mechanical recycling of polyurethane powder from electronic waste processing. In our experiments, we produced "polyurethane composites", using with commercially available two-component polyurethane resin as a matrix, and PUR powder as an organic filler. The commercially available two-component polyurethane resin was also used as a control material. We measured the filler absorbency of the resin, the mechanical properties of the prepared "PUR-composites", and the water absorption capacity.
Keywords: polyurethane, mechanical recycling, polyurethane composites, organic filler
1. BEVEZETÉS
Az elektromos és elektronikus berendezések hulladékainak (WEEE) gyűjtésére, újrahasznosítására és kezelésére az elmúlt években fektetett hangsúly egyre fontosabb eleme a nemzeti és nemzetközi hulladék- és környezetgazdálkodási stratégiáknak [1]. Különösen a hűtőszekrények esetén nem tekinthető optimálisnak az újrahasznosítás, mivel élettartamuk végén jelentős környezeti terhet okoznak, ami azt jelenti, hogy a felhasználási fázis mégsem teljesen dominál az egész életciklusban [2]. A feldolgozási folyamat során képződő jellemző frakciók a fém és fém alkatrészek (réz, vas, motorok, kondenzátor), műanyagok (kábelek, szigetelőanyagok, porfesték), üveg, fa és gáz halmazállapotú anyagok (triklór-fluor-metán /R11/ és diklór-difluormetán /R12/ gáz), melyek között veszélyes anyagok is megtalálhatóak.
A hűtőberendezések hasznosítása során nagy mennyiségben keletkezik poliuretán frakció (14,93%), melyet mennyiségileg csupán a vas és motor-alkatrész frakciók előznek meg, a műanyag frakción belül pedig ez a legjelentősebb mennyiségű [3].
178
A szabályozási és a környezetvédelmi kérdések folyamatos változásai miatt világszerte fokozódó figyelmet fordítanak a poliuretán újrahasznosításra. A poliuretán hasznosításának lehetőségeit négy jellemző csoportba sorolhatjuk: a mechanikai, a kémiai, a termokémiai módszerek alkalmazásával történő újrahasznosítás és az égetéssel történő hasznosítás [4]. A mechanikai hasznosítás számos lehetőséget kínál, mint például az aprítás, forró présformázás, ragasztásos préselés, töltőanyagként való alkalmazás, extrudálás és fröccsöntés [5].
Kísérleteink során célul tűztük ki a poliuretán por (későbbiekben PUR por) fizikai újrahasznosítását a PUR por szerves töltőanyagként történő alkalmazása révén. Első lépésként
„poliuretán-kompozit” előállítását terveztük, melynek mátrix anyagát kereskedelmi forgalomban kapható kétkomponensű poliuretán gyanta, szerves töltőanyagát pedig az elektromos és elektronikai hulladékfeldolgozás során keletkező PUR por frakció képezte.
Kutatómunkánk során elő-kísérletek végzését terveztük a mátrix töltőanyag-felvelő képességének vizsgálata céljából, valamint a „PUR-kompozit” minőségellenőrzését mechanikai vizsgálatok (szakítóvizsgálat) és vízfelvétel vizsgálatok kivitelezésével.
2. ANYAG ÉS MÓDSZER
A vizsgálatokhoz használt monomerek egy a kereskedelmi forgalomban kapható, kézzel felhordható kétkomponensű poliuretán vízszigetelő anyag „A” és „B” komponensei, mely felhasználását tekintve teraszok és lapos tetők vízszigetelésére alkalmas.
A felhasznált PUR por frakció mátrixos gázleszívást alkalmazó zárt technológiai rendszerben keletkezik hűtőgép feldolgozáskor. A poliuretán liszt szemcsemérete: < 0,25 mm.
Az elő-kísérletek során a PUR por és a kétkomponensű poliuretán gyanta „A” és „B”
komponenseinek felhasználásával „PUR-kompozitokat” állítottunk elő oly módon, hogy a
„B” komponenshez töltőanyagként 2,5%, 5%, 10%, 15%, valamint 25% PUR port adagoltunk, majd a forgalmazó által javasolt keverési aránynak megfelelő mennyiségű „A”
komponenshez kevertük. Az „A” és „B” komponens keverési aránya 100/106,5 tömegarányú.
A szakító vizsgálatot EN ISO 178 szabvány alapján történő műszerbeállítás mellett számítógép vezérelt 5544 Instron (USA) mechanikai tesztelő berendezéssel végeztük. A piskóta alakú próbatesteket erre a célra gyártott 5 próbatest készítésére alkalmas fém formában állítottuk elő 24 h reakcióidő alkalmazásával.
A vízfelvétel vizsgálathoz 5,5 cm átmérőjű, 2 mm vastagságú kis korongokat készítettünk Petri-csészében, melyeket a vizsgálat megkezdése előtt 24 órán át szobahőmérsékleten tartottuk, hogy a reakció végbemenjen. A vízfelvételi vizsgálathoz ionmentes vizet alkalmaztunk és a minták tömegét t = 0 min kezdeti időt követően a kísérlet első szakaszában 30 percenként később 60 és 120 percenként megmértük. A vízfelvételi vizsgálatok teljes időtartama minimum 24 h volt.
3. EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK
Az elő-kísérletek eredményei alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a PUR port, mint szerves töltőanyagot a poliuretán műgyanta akár 25% mennyiségben is képes felvenni anélkül, hogy a gyantával való munka kapcsán nehézségek adódtak volna, vagy a bedolgozási időt, illetve a kötési időt a töltőanyag módosította volna.
A „PUR-kompozit” minőségi vizsgálatát 10% PUR port tartalmazó és 25% PUR port tartalmazó módosított „B” komponensű mintákra is elvégeztük, melyekhez kontroll mintaként a PUR-port nem tartalmazó kétkomponensű gyantából készített poliuretánt minták szakítóvizsgálatának eredményeit vettük alapul. Az 1. ábrán a PUR kontroll minta, a 2. ábrán a „PUR-kompozitok” szakító vizsgálatának eredménye látható. Az alapgyanta
179
felhasználásával készített mintákat két csoportra osztottuk. Az 1-5 minták esetén a gyártó által javasolt 24 h kötési idejőt, míg a 6-10 számú minták esetén 48 h reakció időt alkalmaztunk, ezt követően végeztük el a mechanikai vizsgálatot.
1. ábra. A poliuretán kontroll minták nyúlás-húzófeszültség diagramjai
Az 1. ábrán látható, hogy a 6-10 minták szakadáshoz tartozó húzófeszültség értékei, vagyis a szakítószilárdság egyértelműen, míg a szakadási nyúlás jellemzően nagyobb érték, mint a 1-5 minták esetén, amiből arra lehet következtetni, hogy a gyártó által javasolt reakcióidő biztosítja ugyan a gyanta kötését, lépésállóságát, de a teljes reakciót nem, vagyis 24 óra elteltével még utóreakciókra lehet számítani.
2. ábra. 10% PUR port és 25% PUR port tartalmazó módosított „B” komponensű „PUR-kompozitok” nyúlás-húzófeszültség diagramjai
A 10% PUR port és a 25% PUR port tartalmazó módosított „B” komponensű minták szakító diagramjait (2.A és 2.B ábrák) összevetve a 24 h reakció idővel előállított kontroll minták szakítódiagramjaival látható, hogy a töltőanyag mennyiségének növelése a minták szakítószilárdság értékeinek növekedését eredményezi. A húzó rugalmassági modulus átlagok (Young modulus) a kontroll minták, a 10% PUR port és a 25% PUR port tartalmazó módosított „B” komponensű minták esetén rendre 2,6636 MPa, 3,1493 MPa és 7,2699 MPa értéknek adódott, mely azt mutatja, hogy a töltőanyag hatására az anyag szerkezete kissé merevebbé válik.
Kutatásunk során fontosnak tartottuk, hogy megvizsgáljuk az előállított „PUR-kompozitok”
vízfelvevő képességét, hiszen a kereskedelmi forgalomban kapható kétkomponensű poliuretán vízszigetelésre is alkalmas, így általánosan elvárható, hogy ne, vagy csak igen csekély vízfelvevő képességgel rendelkezzen, hiszen az szerkezetromláshoz vezethet. A minták készítése hasonlóan a szakítóvizsgálatokhoz 10% PUR port és 25% PUR port tartalmazó módosított „B” komponensű „PUR-kompozitokból” és a kétkomponensű kereskedelmi forgalomban kapható poliuretán szigetelő anyagból, mint kontrollminták esetén történt. A vízfelvételi idő függvényében megmért próbatest tömegek ismeretében a kiindulási tömeghez viszonyított százalékos értékeket számoltunk a könnyebb ábrázolhatóság érdekében, melyeket a 3. ábrán szemléltettünk. A százalékos tömegcsökkenés számítását úgy
180
végeztük el, hogy a kiindulási tömegeket tekintettük 100%-nak és ahhoz viszonyítva számoltuk a tömegváltozásokat. A 3. ábrán megfigyelhető, hogy a próbatestek tömege az idő múlásával monoton csökkent, mely az el nem reagált monomerek kioldódásából adódhatott, ugyanakkor ez azt is jelenti, hogy vízfelvétel nem történt egyik esetben sem. Az azonos vizsgálati idő mellett (20 h) meghatározott legkisebb mértékű tömegcsökkenés a 3. mintatípus esetén adódott, melynek mértéke 0,76% a kontroll minta 1,45% tömegcsökkenéséhez képest.
3. ábra. A kontroll minták (A), a 10% PUR port (B) és a 25% PUR port (C) tartalmazó módosított „B” komponensű „PUR-kompozitok” vízfelvételi diagramjai
4. ÖSSZEFOGLALÁS
Kutatásunk során az elektronikai hulladékfeldolgozás révén képződő poliuretán por hulladék mechanikai újrahasznosítására tettünk kísérletet, oly módon, hogy egy a kereskedelmi forgalomban kapható két komponensű kézzel felhordható vízszigetelő anyagba forgattuk vissza szerves töltőanyagként alkalmazva. Összegzésként megállapítható, hogy a poliuretán műgyanta „B” komponense akár 25% mennyiségű PUR port is képes felvenni anélkül, hogy felhasználása során nehézségek adódnának, vagy a kötési és a bedolgozási időt módosítaná. Az általunk készített „PUR-kompozitok” mechanikai tulajdonságai csak kis mértékben módosultak a kontrollmintákhoz képest, valamint vízfelvétel egyik esetben sem volt tapasztalható. Mindezek alapján elmondható, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható anyag PUR porral töltve is használható hézagkitöltő, vízszigetelő rétegként.
5. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] BAXTER, J., LYNG, K.A., ASKHAM, C., HANSSEN, O.J.: High-quality collection and disposal of WEEE: Environmental impacts and resultant issues, Waste Management, 2017., 57 17-26.
[2] XIAO, R., ZHANG, Y., YUAN, Z.: Environmental impacts of reclamation and recycling processes of refrigerators using life cycle assessment (LCA) methods, Journal of cleaner production, 2016., Vol 131, 52-59.
[3] BERECZ, N.: Elektronika hulladékfeldolgozás során képződő PUR por fizikai módszerrel történő újrahasznosítása, diplomaterv, Debreceni Egyetem, 2019., p. 60., Témavezető: Keczánné Dr. Üveges Andrea
[4] ZIA, K.M., BHATTI, H.N., BHATTI, I.A.: Methods for polyurethane and polyurethane composites, recycling and recovery: A review, Reactive and Functional Polymers, 2007., Vol 67, 675-692.
[5] WENQING Y., QINGYIN D., SHILI L., HENGHUA X., LILI L., JINHUI L.:
Recycling and disposal methods for polyurethane foam wastes, Procedia Environmental Sciences, 2012, Vol 16, 167-175.
181