Odpady laminatów poliestrowo-szklanych ze złomowanych trałowców
Tworzywa termoutwardzalne, szczególnie laminaty poliestrowo-szklane, są materiałem, który długo uważany był za nie nadający się do ponownego zastosowania. Odpady tych laminatów kierowane są na ogół na wysypiska i z punktu widzenia zagrożenia dla środowiska naturalnego są one traktowane jako nieaktywne. Problemem jednak jest ich znaczna objętość, niezniszczalność, a także koszty składowania.
Mimo wielu prób problem zagospodarowania odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych nie został jeszcze rozwiązany. W związku ze stopniowym wycofywaniem z eksploatacji jednostek pływających, wykonywanych z laminatów poliestrowo-szklanych, temat recyklingu tych laminatów jest aktualny. Pracownicy Katedry Chemii i Towaroznawstwa Przemysłowego Akademii Morskiej oraz Akademii Marynarki Wojennej podjęli prace badawcze nad opracowaniem sposobu likwidacji jednostek pływających wykonanych z laminatów poliestrowo-szklanych.
Dla potrzeb Marynarki Wojennej w latach 1982-1990 wykonano 17 trałowców (projekt 207), przeznaczonych do poszukiwania i niszczenia min, o kadłubach wykonanych z materiałów kompozytowych (żywic poliestrowych zbrojonych włóknem szklanym). Jednostki te posiadają wymiary 38,5×7,2×3,8 m, a masa pustego okrętu wynosi 203 t.
Konstrukcja kadłuba, pokładówki i masztu trałowców jest wykonana w całości z laminatu poliestrowo-szklanego, formowanego bezciśnieniowo w temperaturze ok. 20°C, na bazie żywic nienasyconych, ortoftalowych lub chemoutwardzalnych. Po utwardzeniu konstrukcja była wygrzewana w celu uzyskania pełnych własności fizykochemicznych. Grubość kompozytów poliestrowych wynosi od 20 do 50 mm (w zależności od konstrukcji kadłuba okrętu).
Kompozyty polimerowe oprócz właściwości amagnetycznych posiadają dodatkowe zalety: bardzo dobre właściwości mechaniczne i mały ciężar właściwy, odporność na korozję i gnicie, łatwość formowania dużych wyrobów o skomplikowanych kształtach za pomocą prostego oprzyrządowania, a także możliwość regulowania właściwości (w zależności od wymagań) oraz stosunkowo niską cenę.
Wzrost zastosowań laminatów
W ostatnich latach zauważalny staje się wzrost zastosowań laminatów wzmacnianych włóknem szklanym jako materiału konstrukcyjnego w różnych dziedzinach przemysłu: okrętownictwie (np. kadłuby jednostek, nadbudówki), szkutnictwie, kolejnictwie i motoryzacji (np. elementy karoserii i wyposażenia wnętrz, dachy wagonów, cysterny), lotnictwie (np. kadłuby samolotów, zbiorniki paliwowe, zakończenia dziobów i stateczników), budownictwie (np. płyty, ścianki działowe), przemyśle chemicznym, spożywczym i naftowym (np. zbiorniki, kadzie reakcyjne) oraz przemyśle maszynowym.
Masowa produkcja i popularność laminatów wzmocnionych włóknami generuje problem odpadów z tych tworzyw. Ich zalety produkcyjne (głównie wytrzymałość oraz odporność na warunki środowiskowe) stają się poważną wadą podczas prób ich utylizacji. Zakłady wykonujące wyroby z laminatów wytwarzają odpady powstałe podczas cyklu produkcyjnego (ścinki, kawałki płyt itp.), a także gotowe produkty posiadające wady i nie nadające się do użytkowania. Ponadto odpadami uciążliwymi są też gotowe konstrukcje i elementy wykonane z laminatów, które po zakończeniu cyklu użytkowania w formie niezmienionej trafiają na składowiska. W dużym stopniu wpływają one na zwiększenie powierzchni potrzebnej na składowanie odpadów stałych oraz koszty składowania, a jako materiały trudno degradowalne stają się długoletnim problemem.
Co zrobić z likwidowanymi trałowcami?
Zatopić w morzu? Wykorzystać jako obiekt poligonowy dla ataków ćwiczebnych okrętów i lotnictwa morskiego? Eksportować do innych krajów czy może poddać recyklingowi?
Zatopienie w morzu likwidowanych trałowców nie jest skutecznym rozwiązaniem problemu, ponieważ, niestety, kadłuby z laminatów po demontażu metalowego wyposażenia nie toną. Należałoby zatem zalać taką bryłę okrętową betonem i zatopić w oznakowanym miejscu. Mogłyby one wtedy służyć jako elementy cumownicze na redach lub kotwice większych oznakowań nawigacyjnych.
Przed eksportem likwidowanych jednostek pływających należy pamiętać, że Konwencja Bazylejska, uchwalona 22 marca 1989 r. (obowiązująca w Polsce od 18 czerwca 1992 r. – DzU z 1995 r. nr 19, poz. 88), zakazuje przenoszenia z kraju do kraju odpadów szkodliwych dla środowiska.
Najlepszym rozwiązaniem problemu zagospodarowania odpadów pochodzących z likwidowanych trałowców jest przetworzenie i ponowne wykorzystanie laminatów poliestrowo-szklanych. W pierwszym etapie przed ich rozbiórką należy oczyścić jednostki ze składników niebezpiecznych, paliwa i smarów. W kolejnym etapie demontuje się urządzenia i segreguje części ze względu na rodzaju materiału. Wielkogabarytowe laminaty poliestrowo-szklane należy pociąć na mniejsze części, a następnie rozdrobnić. Odpady można wykorzystać wtedy w recyklingu materiałowym, surowcowym lub termicznym.
Recykling materiałowy laminatów
W polskich warunkach najlepszym rozwiązaniem problemu odpadów laminatów poliestrowo-szklanych jest zastosowanie recyklingu materiałowego, ponieważ nie wymaga on dużych nakładów inwestycyjnych, a dodatek rozdrobnionych odpadów jako włókien lub wypełniaczy do nowych produktów nie wymusza na zakładach produkcyjnych drastycznych zmian technologii produkcji.
Podczas materiałowego recyklingu kadłubów trałowców i jachtów uzyskujemy dwa rodzaje odpadów, które mogą być wykorzystane jako rdzenie konstrukcji „sandwiczowych” oraz kawałki i ścinki, które zmielone mogą być dodawane do nowych materiałów polimerowych oraz polimerobetonów jako napełniacze.
Metodę materiałowego recyklingu wykorzystano do zagospodarowania odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych, pochodzących m.in. z trałowców zbudowanych w Stoczni Marynarki Wojennej w Gdyni. W laboratorium Akademii Morskiej podjęto badania nad sposobem zagospodarowania tych odpadów poprzez dodatek zmielonych odpadów laminatów w celu otrzymania nowych kompozytów oraz określenia ich wybranych właściwości.
Kompozyty z recyklatami poliestrowo-szklanymi
Recyklat pochodzący z rozdrobnienia laminatu poliestrowo-szklanego wykorzystywanego do budowy konstrukcji (kadłub i nadbudówka) amagnetycznych trałowców, stanowiący mieszaninę włókna szklanego i utwardzonej żywicy poliestrowej, uzyskano poprzez mielenie odpadów tego laminatu w rozdrabniaczu firmy Hydromega. Rozdrabniacz ten posiada 24 noże tnąco-łamiące o szerokości 24 mm, obracające się z prędkością ok. 22 obr./min. Z dużych kawałków laminatu w rozdrabniaczu uzyskano recyklat o wymiarach od 10 do 40 mm.
Do otrzymania kompozytów z rozdrobnionymi odpadami poliestrowo-szklanymi zastosowano ortoftalową żywicę poliestrową (Polimal 109) lub średnioaktywną, nienasyconą żywicę poliestrową (Synolite 8388-X-5) albo żywicę epoksydową (Epidian 51). Dla porównania badano próbki bez odpadów, laminaty z matą szklaną oraz kompozyt warstwowy o konstrukcji przekładkowej (tzw. sandwich), w którym warstwą wierzchnią jest mata szklana, a rdzeń stanowią odpady zalane żywicą Polimal 109. Próbowano również zwiększyć adhezję uzyskanych kompozytów, dodając środek ją polepszający – BYK®-A-555. Wykonano próbki za pomocą dwóch metod formowania, tj. metodą ręczną i metodą tłoczenia pod ciśnieniem 1 MPa w temperaturze 100°C. Powstałe próbki poddano badaniom wytrzymałościowym. Zmierzono ich udarność, twardość, wytrzymałość na rozciąganie i ścieralność. Kompozyty typu „sandwich” wykazują lepsze właściwości mechaniczne niż materiały z samymi odpadami. Wyniki są obiecujące, ale i w tym przypadku skład i metodę wytwarzania należałoby dopracować.
Spośród zastosowanych żywic do zwilżania odpadów najlepsze właściwości uzyskały kompozyty z żywicą Polimal 109. Zastosowanie nowoczesnej żywicy Synolite 8388-X-5, wykorzystywanej obecnie w produkcji laminatów konstrukcyjnych o podwyższonych właściwościach, nie spowodowało wyraźnego polepszenia wytrzymałości powstałych kompozytów. Wprowadzenie do próbek dodatkowego środka adhezyjnego (BYK®-A-555) nie wpłynęło znacząco na właściwości wytrzymałościowe kompozytów.
Praktyczniejszą metodą otrzymywania kompozytów z odpadami jest metoda ręczna. Właściwości kompozytów otrzymanych z kolei metodą tłoczenia nie przyniosły spodziewanych efektów, a same kompozyty otrzymane tą metodą posiadały dużo więcej pęcherzy powietrza niż próbki otrzymane metodą ręczną.
Rozdrobnione odpady poliestrowo-szklane mogą pełnić funkcję zamiennika wypełniacza mineralnego, obniżając gęstość i porowatość wyrobu. Wprowadzenie odpadów poliestrowo-szklanych, powodując zmniejszenie masy materiału kompozytowego, ułatwia transport i montaż gotowych wyrobów. Niestety, w związku z anizotropowym ułożeniem odpadów w żywicy oraz obecnością porów kompozyty z odpadami posiadają stosunkowo niskie właściwości mechaniczne. Mogą być więc one stosowane do wytwarzania konstrukcji niewymagających wysokich właściwości wytrzymałościowych (np. do produkcji szczebli w płotach, barierek czy różnego rodzaju płytek). Zagadnienie związane z zagospodarowaniem odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych przy wykorzystaniu recyklingu materiałowego wymaga jeszcze wielu szczegółowych badań, pozwalających na opracowanie technologii wytwórstwa z udziałem recyklatu poliestrowo-szklanego. Zaczęto już prace polegające na sporządzaniu kompozytów polimerowych z dodatkiem rozdrobnionych odpadów oraz napełniaczy proszkowych i innych dodatkowych substancji, aby wspomóc proces wytwarzania lub polepszyć właściwości otrzymanego kompozytu. Interesujące wydaje się również zbadanie kompozytów na bazie termoplastów z dodatkiem recyklatów poliestrowo-szklanych.
Przeprowadzone wstępne badania potwierdziły, iż recyklat powstały z odpadów z laminatu poliestrowo-szklanego można zastosować do otrzymania nowych materiałów. Właściwości tych kompozytów warunkują ich zastosowanie. Zagadnienie związane z zagospodarowaniem odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych przy wykorzystaniu recyklingu materiałowego wymaga jeszcze wielu szczegółowych badań, pozwalających na opracowanie technologii wytwórstwa z udziałem recyklatu poliestrowo-szklanego.
dr inż. Mariola Jastrzębska
Katedra Chemii i Towaroznawstwa Przemysłowego
Wydział Przedsiębiorczości i Towaroznawstwa
Akademia Morska, Gdynia
Mimo wielu prób problem zagospodarowania odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych nie został jeszcze rozwiązany. W związku ze stopniowym wycofywaniem z eksploatacji jednostek pływających, wykonywanych z laminatów poliestrowo-szklanych, temat recyklingu tych laminatów jest aktualny. Pracownicy Katedry Chemii i Towaroznawstwa Przemysłowego Akademii Morskiej oraz Akademii Marynarki Wojennej podjęli prace badawcze nad opracowaniem sposobu likwidacji jednostek pływających wykonanych z laminatów poliestrowo-szklanych.
Fot. 1. Rozdrabniacz odpadów firmy Hydromega
Dla potrzeb Marynarki Wojennej w latach 1982-1990 wykonano 17 trałowców (projekt 207), przeznaczonych do poszukiwania i niszczenia min, o kadłubach wykonanych z materiałów kompozytowych (żywic poliestrowych zbrojonych włóknem szklanym). Jednostki te posiadają wymiary 38,5×7,2×3,8 m, a masa pustego okrętu wynosi 203 t.
Konstrukcja kadłuba, pokładówki i masztu trałowców jest wykonana w całości z laminatu poliestrowo-szklanego, formowanego bezciśnieniowo w temperaturze ok. 20°C, na bazie żywic nienasyconych, ortoftalowych lub chemoutwardzalnych. Po utwardzeniu konstrukcja była wygrzewana w celu uzyskania pełnych własności fizykochemicznych. Grubość kompozytów poliestrowych wynosi od 20 do 50 mm (w zależności od konstrukcji kadłuba okrętu).
Kompozyty polimerowe oprócz właściwości amagnetycznych posiadają dodatkowe zalety: bardzo dobre właściwości mechaniczne i mały ciężar właściwy, odporność na korozję i gnicie, łatwość formowania dużych wyrobów o skomplikowanych kształtach za pomocą prostego oprzyrządowania, a także możliwość regulowania właściwości (w zależności od wymagań) oraz stosunkowo niską cenę.
Wzrost zastosowań laminatów
W ostatnich latach zauważalny staje się wzrost zastosowań laminatów wzmacnianych włóknem szklanym jako materiału konstrukcyjnego w różnych dziedzinach przemysłu: okrętownictwie (np. kadłuby jednostek, nadbudówki), szkutnictwie, kolejnictwie i motoryzacji (np. elementy karoserii i wyposażenia wnętrz, dachy wagonów, cysterny), lotnictwie (np. kadłuby samolotów, zbiorniki paliwowe, zakończenia dziobów i stateczników), budownictwie (np. płyty, ścianki działowe), przemyśle chemicznym, spożywczym i naftowym (np. zbiorniki, kadzie reakcyjne) oraz przemyśle maszynowym.
Fot. 2. Recyklat z laminatu poliestrowo-szklanego
Masowa produkcja i popularność laminatów wzmocnionych włóknami generuje problem odpadów z tych tworzyw. Ich zalety produkcyjne (głównie wytrzymałość oraz odporność na warunki środowiskowe) stają się poważną wadą podczas prób ich utylizacji. Zakłady wykonujące wyroby z laminatów wytwarzają odpady powstałe podczas cyklu produkcyjnego (ścinki, kawałki płyt itp.), a także gotowe produkty posiadające wady i nie nadające się do użytkowania. Ponadto odpadami uciążliwymi są też gotowe konstrukcje i elementy wykonane z laminatów, które po zakończeniu cyklu użytkowania w formie niezmienionej trafiają na składowiska. W dużym stopniu wpływają one na zwiększenie powierzchni potrzebnej na składowanie odpadów stałych oraz koszty składowania, a jako materiały trudno degradowalne stają się długoletnim problemem.
Co zrobić z likwidowanymi trałowcami?
Zatopić w morzu? Wykorzystać jako obiekt poligonowy dla ataków ćwiczebnych okrętów i lotnictwa morskiego? Eksportować do innych krajów czy może poddać recyklingowi?
Zatopienie w morzu likwidowanych trałowców nie jest skutecznym rozwiązaniem problemu, ponieważ, niestety, kadłuby z laminatów po demontażu metalowego wyposażenia nie toną. Należałoby zatem zalać taką bryłę okrętową betonem i zatopić w oznakowanym miejscu. Mogłyby one wtedy służyć jako elementy cumownicze na redach lub kotwice większych oznakowań nawigacyjnych.
Fot. 3. Próbki kompozytów z odpadami poliestrowo-szklanymi
Przed eksportem likwidowanych jednostek pływających należy pamiętać, że Konwencja Bazylejska, uchwalona 22 marca 1989 r. (obowiązująca w Polsce od 18 czerwca 1992 r. – DzU z 1995 r. nr 19, poz. 88), zakazuje przenoszenia z kraju do kraju odpadów szkodliwych dla środowiska.
Najlepszym rozwiązaniem problemu zagospodarowania odpadów pochodzących z likwidowanych trałowców jest przetworzenie i ponowne wykorzystanie laminatów poliestrowo-szklanych. W pierwszym etapie przed ich rozbiórką należy oczyścić jednostki ze składników niebezpiecznych, paliwa i smarów. W kolejnym etapie demontuje się urządzenia i segreguje części ze względu na rodzaju materiału. Wielkogabarytowe laminaty poliestrowo-szklane należy pociąć na mniejsze części, a następnie rozdrobnić. Odpady można wykorzystać wtedy w recyklingu materiałowym, surowcowym lub termicznym.
Recykling materiałowy laminatów
W polskich warunkach najlepszym rozwiązaniem problemu odpadów laminatów poliestrowo-szklanych jest zastosowanie recyklingu materiałowego, ponieważ nie wymaga on dużych nakładów inwestycyjnych, a dodatek rozdrobnionych odpadów jako włókien lub wypełniaczy do nowych produktów nie wymusza na zakładach produkcyjnych drastycznych zmian technologii produkcji.
Podczas materiałowego recyklingu kadłubów trałowców i jachtów uzyskujemy dwa rodzaje odpadów, które mogą być wykorzystane jako rdzenie konstrukcji „sandwiczowych” oraz kawałki i ścinki, które zmielone mogą być dodawane do nowych materiałów polimerowych oraz polimerobetonów jako napełniacze.
Metodę materiałowego recyklingu wykorzystano do zagospodarowania odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych, pochodzących m.in. z trałowców zbudowanych w Stoczni Marynarki Wojennej w Gdyni. W laboratorium Akademii Morskiej podjęto badania nad sposobem zagospodarowania tych odpadów poprzez dodatek zmielonych odpadów laminatów w celu otrzymania nowych kompozytów oraz określenia ich wybranych właściwości.
Fot. 4. Kompozyt z odpadami poliestrowo-szklanymi
Kompozyty z recyklatami poliestrowo-szklanymi
Recyklat pochodzący z rozdrobnienia laminatu poliestrowo-szklanego wykorzystywanego do budowy konstrukcji (kadłub i nadbudówka) amagnetycznych trałowców, stanowiący mieszaninę włókna szklanego i utwardzonej żywicy poliestrowej, uzyskano poprzez mielenie odpadów tego laminatu w rozdrabniaczu firmy Hydromega. Rozdrabniacz ten posiada 24 noże tnąco-łamiące o szerokości 24 mm, obracające się z prędkością ok. 22 obr./min. Z dużych kawałków laminatu w rozdrabniaczu uzyskano recyklat o wymiarach od 10 do 40 mm.
Do otrzymania kompozytów z rozdrobnionymi odpadami poliestrowo-szklanymi zastosowano ortoftalową żywicę poliestrową (Polimal 109) lub średnioaktywną, nienasyconą żywicę poliestrową (Synolite 8388-X-5) albo żywicę epoksydową (Epidian 51). Dla porównania badano próbki bez odpadów, laminaty z matą szklaną oraz kompozyt warstwowy o konstrukcji przekładkowej (tzw. sandwich), w którym warstwą wierzchnią jest mata szklana, a rdzeń stanowią odpady zalane żywicą Polimal 109. Próbowano również zwiększyć adhezję uzyskanych kompozytów, dodając środek ją polepszający – BYK®-A-555. Wykonano próbki za pomocą dwóch metod formowania, tj. metodą ręczną i metodą tłoczenia pod ciśnieniem 1 MPa w temperaturze 100°C. Powstałe próbki poddano badaniom wytrzymałościowym. Zmierzono ich udarność, twardość, wytrzymałość na rozciąganie i ścieralność. Kompozyty typu „sandwich” wykazują lepsze właściwości mechaniczne niż materiały z samymi odpadami. Wyniki są obiecujące, ale i w tym przypadku skład i metodę wytwarzania należałoby dopracować.
Spośród zastosowanych żywic do zwilżania odpadów najlepsze właściwości uzyskały kompozyty z żywicą Polimal 109. Zastosowanie nowoczesnej żywicy Synolite 8388-X-5, wykorzystywanej obecnie w produkcji laminatów konstrukcyjnych o podwyższonych właściwościach, nie spowodowało wyraźnego polepszenia wytrzymałości powstałych kompozytów. Wprowadzenie do próbek dodatkowego środka adhezyjnego (BYK®-A-555) nie wpłynęło znacząco na właściwości wytrzymałościowe kompozytów.
Praktyczniejszą metodą otrzymywania kompozytów z odpadami jest metoda ręczna. Właściwości kompozytów otrzymanych z kolei metodą tłoczenia nie przyniosły spodziewanych efektów, a same kompozyty otrzymane tą metodą posiadały dużo więcej pęcherzy powietrza niż próbki otrzymane metodą ręczną.
Rozdrobnione odpady poliestrowo-szklane mogą pełnić funkcję zamiennika wypełniacza mineralnego, obniżając gęstość i porowatość wyrobu. Wprowadzenie odpadów poliestrowo-szklanych, powodując zmniejszenie masy materiału kompozytowego, ułatwia transport i montaż gotowych wyrobów. Niestety, w związku z anizotropowym ułożeniem odpadów w żywicy oraz obecnością porów kompozyty z odpadami posiadają stosunkowo niskie właściwości mechaniczne. Mogą być więc one stosowane do wytwarzania konstrukcji niewymagających wysokich właściwości wytrzymałościowych (np. do produkcji szczebli w płotach, barierek czy różnego rodzaju płytek). Zagadnienie związane z zagospodarowaniem odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych przy wykorzystaniu recyklingu materiałowego wymaga jeszcze wielu szczegółowych badań, pozwalających na opracowanie technologii wytwórstwa z udziałem recyklatu poliestrowo-szklanego. Zaczęto już prace polegające na sporządzaniu kompozytów polimerowych z dodatkiem rozdrobnionych odpadów oraz napełniaczy proszkowych i innych dodatkowych substancji, aby wspomóc proces wytwarzania lub polepszyć właściwości otrzymanego kompozytu. Interesujące wydaje się również zbadanie kompozytów na bazie termoplastów z dodatkiem recyklatów poliestrowo-szklanych.
Przeprowadzone wstępne badania potwierdziły, iż recyklat powstały z odpadów z laminatu poliestrowo-szklanego można zastosować do otrzymania nowych materiałów. Właściwości tych kompozytów warunkują ich zastosowanie. Zagadnienie związane z zagospodarowaniem odpadów z laminatów poliestrowo-szklanych przy wykorzystaniu recyklingu materiałowego wymaga jeszcze wielu szczegółowych badań, pozwalających na opracowanie technologii wytwórstwa z udziałem recyklatu poliestrowo-szklanego.
dr inż. Mariola Jastrzębska
Katedra Chemii i Towaroznawstwa Przemysłowego
Wydział Przedsiębiorczości i Towaroznawstwa
Akademia Morska, Gdynia
