Анализ развития науки и технологий как в России, так и за рубежом, показывает, что развитие и создание новых полимерных композиционных материалов (ПКМ) с принципиально улучшенным комплексом свойств, разработка энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий их переработки (утилизации) являются ключевыми направлениями для технологического прорыва в различных отраслях промышлености [1–4].

Решение вопроса утилизации является одним из аспектов, способствующих широкому внедрению и применению ПКМ в приоритетных отраслях промышлености. Это связано с тем, что традиционные способы утилизации ПКМ (как правило, сжигание) экономически не выгодны, а учитывая их химический состав – экологически опасны, поэтому потребители все чаще отдают предпочтение тем продуктам при изготовлении, применении и утилизации которых негативное воздействие на окружающую среду было бы минимальным.

Особенно остро данная проблема стоит перед странами ЕС и США из-за жесткого экологического законодательства и ресурсосберегающей технологической политики. В России на данную проблему только начинают обращать внимание в связи с расширением объемов производства композиционных материалов, которое к 2020 г. достигнет 118 млн кг, а доля ПКМ, подлежащих утилизации, составляет 1–3% от годового производства.

Перспективный путь решения проблемы утилизации ПКМ – вторичная переработка. Развитие технологий вторичной переработки ПКМ и изделий из них имеет значительные перспективы, поскольку позволяет не только решать проблему утилизации отходов производства и вышедших из строя изделий, но и привлекать значительные объемы вторичного сырья для повторной переработки, что способствует экономической эффективности производства целого ряда изделий.

В настоящее время за рубежом технологии утилизации ПКМ уделяется особое внимание в связи с развитием приоритетных работ, основанных на применении принципов наилучших доступных технологий и «зеленой химии» [5].

Ведутся активные работы по созданию процессов регенерации армирующих наполнителей из ПКМ, сущность которых объединяет одно – необходимость разрушения матрицы (связующего), чтобы выделить армирующей наполнитель (волокно), с получением на выходе различных продуктов переработки. Условно рассматривают три метода утилизации ПМК (рис. 1). Информация о технологических процессах переработки армированных ПКМ, о преимуществах и недостатках этих процессов представлена в работе [6].

Рис. 1. Методы утилизации полимерных композиционных материалов (ПКМ); FBR (fluidized bed process) – окисление в псевдоожиженном слое

Ведутся работы по созданию термореактивных связующих [7], подлежащих вторичной переработке, как на полиэфирной, так и на эпоксидной основах, а также работы по созданию экономически эффективных технологий вторичной переработки ПКМ и изделий из них на основе термореактивных и термопластичных матриц. В ходе этих исследований хорошие результаты достигнуты компаниями Adesso Advanced Materials (Япония) и Connora Technologies (США) [8, 9]. Так, компания Adesso Advanced Materials предлагает утилизируемый отвердитель для эпоксидных смол или полноценную утилизируемую эпоксидную систему. Аналогично компания Connora Technologies разработала утилизируемый отвердитель для существующих эпоксидных систем и низкоэнергетический процесс утилизации, при котором после сольволиза образуется эпоксидный термопласт, что достигается разрывом определенных связей в молекуле отвердителя. В настоящее время компанией проводятся исследования по созданию аналогичных отвердителей для полиэфирных смол.

За рубежом большинство компаний имеют в своем распоряжении технологии и практический опыт применения вторичных композиционных материалов для изделий гражданских отраслей. Успехов в этой области достигли такие компании, как Hitachi Chemical (Япония), ELG Carbon Fibre, Sigmatex Ltd., Technical Fibre Products (Великобритания), Reprocover (Бельгия), Procotex (Франция), ReFiber ApS (Дания), CFK Valley Stade Recycling (Германия), Adherent Technologies (США) и другие. При этом продукция из переработанных ПКМ охватывает целый спектр изделий – начиная от простых, таких как крышки канализационных люков, и заканчивая изделиями, применяемыми в транспортном машиностроении, сельском хозяйстве и т. п.

Так, компания Reprocover производит изделия с использованием переработанных композиционных материалов, включая стеклопластики и отходы стекловолокна от компании 3В-fibreglass. Процесс получения вторичных изделий представляет собой измельчение и смешивание в различных пропорциях переработанных материалов. Результатом является твердый продукт, который устойчив к воздействию пламени, резким колебаниям температуры, ультрафиолетовому излучению и агрессивным химическим веществам, не подвержен коррозии, имеет хорошее сопротивление скольжению и малую массу [10]. Продукция компании представлена такими изделиями, как канализационные люки, цветочные и защитные коробки, кабельные короба, каналы и т. д. (рис. 2) [11].

Рис. 2. Изделия из переработанных композитов: а – крышка люка; б – модель цветочной коробки; в – пот (коробка) для защиты пожарного крана; г – кабельные короба

Перспективность применения вторично переработанных ПКМ показывают ранее разработанные железнодорожные шпалы с отличным звукопоглощением (рис. 3), которые в настоящее время проходят комплексные испытания [11]. В ближайшее время в Европе на эти шпалы могут заменить деревянные из-за запрещения на законодательном уровне использования креозота для обслуживания деревянных шпал. Аналогичные испытания и исследования проводит фирма ECO-WOLF совместно с компанией Global Fiberglass Solutions, которая стремится управлять объектами сбора и переработки стеклопластиков по всей территории США [12].

Рис. 3. Блочная железнодорожная шпала, изготовленная из вторично переработанных полимерных композиционных материалов

Рис. 4. Железнодорожные шпалы, изготовленные из переработанных полимерных композиционных материалов

В США компаниями AXION International's и IntegriCo Composites [13, 14] широко освоено применение шпал, изготовленных из вторично переработанных композиционных материалов (рис. 4), свойства которых удовлетворяют и даже превосходят требования стандартов AREMA (American Railway Engineers Maintenance-of-way Association). Компании публикуют следующие данные по свойствам продукции (см. таблицу).

Физико-механические характеристики композиционных шпал, изготовленных

из вторично переработанных полимерных композиционных материалов

Видно, что в случае использования шпал, изготовленных из переработанных композиционных материалов, физико-механические свойства изделий значительно выше требований стандартов, регламентирующих их применение.

Фирма ReFiber ApS в настоящее время ведет работы по регенерации армирующих наполнителей из стеклопластиков, а также их вторичному использованию как в виде коротковолокнистого армирующего наполнителя, так и в виде нетканых форм, изоляционных материалов (рис. 5) [15, 16]. Процесс получения вторичных изделий – это среднетемпературный пиролиз с предварительным измельчением стеклопластиков.

Рис. 5. Продукт переработки стеклопластиков

Исследования по регенерации армирующих наполнителей из углепластиков (рис. 6) и их вторичному использованию проводят компании Hitachi Chemical [17] и CFK Valley Stade Recycling [18]. Процесс получения вторичных изделий представляет собой в первом случае деполимеризацию матрицы под действием различных жидкостей с катализаторами в виде солей щелочных металлов, а во втором – среднетемпературный пиролиз. На выходе получают волокно, которое используется для изготовления композитных пластин, нетканых материалов.

Рис. 6. Продукты переработки углепластиков

Следует отметить, что резкое повышение интереса к разработке технологий переработки изделий из ПКМ за рубежом вызвано не только ужесточением законодательства Европейского союза по утилизации отходов, но и заинтересованностью самих компаний-производителей в снижении негативного воздействия на окружающую среду, а также повышении экономической эффективности собственного производства путем привлечения значительного объема вторичного сырья.

В настоящее время поиск рынка использования вторичного сырья является основной задачей, от решения которой зависит принятие жизнеспособного решения утилизации ПКМ в целом. Зарубежные компании сосредоточены в основном на использовании переработанных углеродных, стеклянных и других волокон. Например, переработанные углеродные волокна используют для изготовления небольших объемов формовочных BMC (Bulk Moulding Compound) и листовых SMC (Sheet Moulding Compound) масс, которые широко применяются в автомобильной промышленности и для других продуктов, не имеющих жестких эксплуатационных нагрузок, к которым не предъявляются требования, связанные с ответственностью детали (рис. 6 и 7). Переработанные стеклянные или полипропиленовые волокна, применяют для снижения усадки и увеличения трещиностойкости бетона, что увеличивает его прочность и долговечность. Этот бетон может быть использован для изготовления полов, тротуаров, дорожек и бордюров.

Рис. 7. Листовые (SMC) и формовочные (BMC) продукты, изготовленные из нарезанного препрега [19]

Так, преимущества применения переработанных волокон в строительной индустрии были продемонстрированы компаниями Hambleside Danelaw и Mixt Composites Recyclables в рамках проекта BeAware (Built Environment Action on Waste Awareness and Resource Efficiency) и исследований по CERIB (Centre d'Etudes et de Recherches de l'Industrie du Béton) [11].

В России, несмотря на перспективы и предполагаемую экономическую эффективность, о переработке и вторичном применении ПКМ известно мало и, к сожалению, в настоящее время эти методы широкого развития не получили. Сложность технологий и необходимость проведения полномасштабных исследований не позволяют в настоящий момент изготавливать и применять изделия из вторично переработанных ПКМ. Попытки освоения технологий переработки и вторичного применения композиционных материалов ранее проводились [20, 21], однако в связи с низким объемом производства ПКМ в гражданских отраслях результаты работы дальнейшего развития не получили.

В рамках прошедшего III Международного конгресса «Сбор, хранение, переработка и утилизация углеводородсодержащих отходов: актуальные проблемы экологической безопасности России» было отмечено, что экологическая безопасность России является одним из основных факторов развития приоритетных отраслей промышлености, поэтому необходимы консолидация профессиональных усилий для решения возрастающих с каждым годом экологических проблем и реализация конкретных мер, направленных на их решение.

Таким образом, в настоящее время в мире наблюдается устойчивая тенденция к увеличению исследований по вторичному использованию отходов изделий из углепластиков и стеклопластиков в различных отраслях промышлености. Ведущие позиции в проведении исследований по утилизации и вторичному применению ПКМ для изделий гражданских отраслей прочно удерживают зарубежные фирмы Японии, Дании, Бельгии, Германии и США. В России интерес к технологиям утилизации и использования продуктов вторичной переработки ПКМ также возрастает. Однако на данный момент об имеющихся разработках практически ничего не известно. Развитие технологий переработки ПКМ и их вторичного использования позволит реализовать ряд преимуществ, среди которых снижение потребности промышленности в первичных ресурсах, экономическая эффективность производства, снижение объемов выбросов, сбросов и отходов производства.