روش های بازیافت پلی یورتان

به شدت به مواد نفتی وابسته است. علاوه بر آن، پس ماندهای پلی یورتانی رو به افزایش است که موجب نگرانی برای دفع آنها شده است. به بیان دیگر، پلی یورتان پلیمری است که از سوخت های فسیلی حاصل  شده است (با استفاده از محصولات پتروشیمی تولید می شود)، بازیافت آن، هر زمان که امکان پذیر باشد بسیار دارای اهمیت می باشد؛ از این رو، مواد ارزشمندی که در تولید آنها بکار رفته است دور ریخته نمی شوند.

در ابتدا زباله های پلی یورتانی مستقیما در طبیعت رها یا سوزانده می شدند. تجمع زباله هایی که در طبیعت رها می شدند به یک معضل جدی تبدیل شد زیرا که تخریب و تجزیه شدن آنها در حالت عادی به سختی صورت می گرفت.

روش های متنوعی برای بازیافت پلی یورتان پیشنهاد شد که به طور کلی می توان آنها را در دو دسته بندی قرار داد: روش مکانیکی و روش شیمیایی که با توجه به نوع پلی یورتان، روش مناسب انتخاب می شود.

می توان گفت که تلاش برای بازیافت پلی یورتان ها به روش شیمیایی به زمان پیدایش این پلیمر برمی گردد. در ابتدا، در اواخر سال های 1920 پلی یورتان ها به صورت الیاف هایی که بتوانند با پلی آمیدها رقابت کنند تولید می شدند. از این رو، توسعه پلی یورتان ها در سال های 1930 با هدف تولید الیاف، الاستومر و فوم های سخت آغاز گردید و تا اوایل سال های 1940 ادامه یافت. در اواخر سال های 1940 محققان آلمانی و آمریکایی به فکر واکنش برگشتی فرآیند تولید پلی یورتان ها و تولید مجدد پلی ال و ایزوسیانات ها افتادند زیرا که دمای تجزیه حرارتی آن عموما در حدود دمای 200 درجه سانتیگراد رخ می دهد. پس از حدود 20 سال تلاش اندک، در اواسط سال های 1960، تحقیقات جدیدی بر روی روش های بازیافت پلی یورتان آغاز گردید. در این مقطع زمانی روش اصلی تخریب پلی یورتان هیدرولیز کردن آن توسط بخار آب، تحت فشار یا بدون آن، تا دمای 450 درجه سانتیگراد بود. امروزه روش های فرآیندی امکان پذیرتری برای این کار وجود دارد.

لازم به ذکر است که عمده محصولات پلی یورتانی فوم ها هستند، از این رو، در پژوهش های انجام شده عمدتا به فرآیند بازیافت این مواد پرداخته شده است.

 

روش های شیمیایی بازیافت پلی یورتان

• روش حرارتی

روش های حرارتی خود به سه ریز شاخه فرعی تقسیم می شوند: پیرولیز، تبدیل به خاکستر کردن و شکست زنجیرها به منظور دستیابی به آمیزه های مشخصی.

روش پیرولیز برای تولید موادی قابل استفاده مجدد مانند گاز سنتز شده یا آمیزه هایی غیراشباع برای استفاده در پلیمریزاسیون رادیکالی می تواند بکار رود. در این روش، واکنش ها و محصولات نامشخصی حاصل می شوند و به همین دلیل روشی مناسب نبود که بعدترها به آن پرداخته شود.

از روش سوزاندن و تبدیل کردن به خاکستر برای ایجاد حرارت و انرژی الکتریکی استفاده می شود، در واقع فوم به عنوان منبعی از سوخت به حساب می آید که حاوی مقدار قابل توجهی انرژی حرارتی در حدود 30MJ/kg است و این روش، یکی از راه های بازیابی حرارتی برای آنها محسوب می شود. با گذشت سال ها نگرانی حول محور سوزاندن پلی یورتان و تولید سیایند یا هیدروسیانیک اسید ایجاد گردید که هر دو ماده ذکر شده هرگز در مقادیر چشم گیری تولید نمی شدند. تنها ترکیب سمی که از مواد آروماتیکی در مقادیر زیاد تولید می شود کربن منواکسید می باشد که لازم است حتما حذف گردد.

در واقع می توان گفت که تبدیل به خاکستر کردن یکی از روش های بسیار حائز اهمیت برای بازیافت است به خصوص برای افرادی که نمی توانند از روش های دیگر بازیافت استفاده کنند. اگر این فرآیند به طور کامل انجام نشود، گازهایی سمی تولید می کند که می تواند آسیب جدی به اتمسفر وارد کند. از این جهت، این روش به تدریج حذف شد.

با شکست زنجیرها به روش حرارتی ایزوسیانات ها بدست می آیند. بنابراین، الیگو- و پلی یورتان های خاصی برای تولید مقادیر بالایی از ایزوسیانات ها طراحی شده اند. با توجه به اطلاعات موجود اخیر، فرآیندهایی تاکنون بدین منظور توسعه یافته اند که 25 تا 27 % وزنی ایزوسیانات های آروماتیک و مقادیر تا حدودی بیشتر از ایزوسیانات های آلیفاتیک را می دهند. افزایش قیمت ایزوسیانات ها می تواند منجر به ایجاد تحولی مجدد در این فرآیند شود تا آن را ساده تر سازد و با استفاده از آن، آروماتیک دی یا پلی کاربامات ها بدست آیند و از استفاده فسژن برای تولید ایزوسیانات ها جلوگیری شود.

• هیدرولیز پلی یورتان

هیدرولیز پلی یورتان که واکنش با آب یا بخار آب تحت شرایط دمایی بالا است، اولین بار توسط شرکت موتور فورد در سال های 1960 انجام شد. واکنش آن ساده به نظر می رسد همان طور که در شکل زیر قرار داده شده است:

این واکنش در ابتدا در دمای 300 درجه سانتیگراد و فشار 15atm صورت می گرفت و بعدها توسعه یافت و شرایط دمایی به حالت شدیدتر 450  درجه سانتیگراد و 50atm تغییر یافت. این فرآیند نیاز به صرف انرژی بالایی در راکتور دارد. مصرف انرژی با لزوم جداسازی آمین ها از پلی ال های پلی اتری مجدد افزایش یافت. با این حال این جداسازی امری لازم است زیرا که این آمین ها می توانند در واکنش فسژن دار کردن برای تولید ایزوسیانات های جدید استفاده شوند.

در واقع می توان گفت که هیدرولیز یک واکنش فرعی به حساب می آید زیرا تمام فوم های پلی یورتانی در هنگام فرآیند تولید آنها کم و بیش جذب آب از محیط دارند. از طرف دیگر، جذب آب بر فرآیند بازیافت پلی یورتان اثرگذار است زیرا که منجر به ایجاد یک سری محصولات جانبی، به خصوص آمین های آروماتیک اولیه از جمله دی آمینو دی فنیل متان (MDA) یا تولوئن دی آمین ها می شود. این مواد سرطان زا هستند علاوه بر آن با افزایش ویسکوزیته پلی ال بر کیفیت فرآیند بازیافت آنها تاثیر می گذارند.

• الکل لیز

با جایگزین شدن یک اتم هیدروژن آب با یک گروه آلیفاتیک، الکل هایی ایجاد می شوند که می توانند به عنوان عوامل کمکی برای شکست پلی یورتان ها استفاده شوند. اولین الکلی که استفاده شد متانول بود که واکنش آن مشابه با واکنش هیدرولیز در دما و فشار بالا پیش رفت. در حالی انتظار می رفت که ساده تر بتوانند آمین ها را از مخلوط متانول پلی ال جداسازی کنند. اما در واقعیت، این فرآیند جداسازی به دشواری واکنش هیدرولیز پیش رفت اما علاوه بر آن متانول باید تبخیر می شد. از الکل های دیگری مانند بوتانول نیز استفاده شد اما نتایج بهتری حاصل نشد.

• گلایکولیز

گلایکول ها الکل هایی دو عامله با دمای جوش بالاتر هستند بنابراین در دماهای بالاتر نیازی به اعمال فشار نیست. از آنجایی که گلایکول ها با دی ایزوسیانات ها واکنش می دهند درشت مولکول هایی خطی را شکل می دهند این مواد، همچنین می توانند در مخلوط واکنش به تولید پلی یورتان ها کمک کنند که این موارد از جمله مزیت دیگر این روش محسوب می شود. این روش در یک مرحله با یا بدون کاتالیست ها انجام می شود و در بین روش های شیمیایی پرکاربردترین روش برای پلی یورتان های سخت و منعطف به حساب می آیند. واکنشی که صورت می گیرد عکس فرآیند استری شدن است که در آن یک گروه هیدروکسیل از گلایکول با گروه استری شامل کربن گروه کربونیل پیوند یورتانی جایگزین می شود.

این فرآیند معمولا در محدوده دمایی 200 تا 270 درجه سانتیگراد بین 3 تا 10 ساعت انجام می شود. کاتالیست ها تاثیر چشم گیری بر کاهش سرعت واکنش نمی گذارند؛ از این رو، سه مدل کلی برای آن دیده شده است:

• بدون کاتالیست، توسط گلایکول هایی با وزن مولکولی پایین به عنوان مثال دی اتیلن گلایکول یا دی پروپیلن گلایکول یا مخلوط آنها
• در حضور کاتالیست، واکنش گلایکولیز مشابه با روش قبل انجام می شد و تنها تفاوت افزودن کاتالیست بود.
• گلایکولیز با استفاده از پلی ال های پلی اتری با یا بدون افزودن کاتالیست. گروه های هیدروکسیل با واکنش پذیری کمتر در پلی ال های پلی اتری منجر به طولانی تر شدن زمان های واکنش شدند به همین دلیل لازم بود که سرعت این فرآیند با کاتالیست ها و یا گلایکول ها سریع تر شود.

 

بازیافت مکانیکی بازیافت پلی یورتان

در روش بازیافت فیزیکی (روش مکانیکی)، فوم های پلی یورتانی خرد می شوند و تنها ظاهر آنها تغییر می کند. این روش، ابتدایی ترین روش برای بازیافت پلی یورتان ها است. در این روش محصولات به ذرات جامدی با شکل دیگر به صورت ورقه ای، گرانولی (دانه ای) یا پودر تغییر می یابند.

با خرد شدن و فشرده شدن ذرات جامد تولید شده، محصولات پلی یورتانی جدیدی حاصل می شود. با مخلوط کردن آنها با چسب ها (یا بایندر) و یا با قالبگیری تحت حرارت (بدون بایندر)، ذرات تحت فشار بالا و دما (180 درجه سانتیگراد و 350bar) یه یکدیگر می چسبند. از این فناوری عمدتا برای فرآیند کردن فوم های پلی یورتانی سخت دور ریخته شده از صنعت خودروسازی استفاده می شود.

این روش، روشی بسیار متداول است و می توان از محصول بدست آمده در لایه زیرین فرش، زیراندازهای مخصوص ورزش و دیگر محصولات مشابه استفاده کرد.

علاوه بر آن، می توان فوم را به قدری خرد کرد و این فرآیند را تا جایی ادامه داد که در نهایت یک پودر یکدست بدست آید. پودر حاصل را می توان با مواد خام برای ایجاد فوم پلی یورتان جدید یا قطعات فرآیند قالب گیری تزریقی مخلوط کرد.

روش بازیافت فیزیکی، روشی ساده، راحت و با هزینه های پایین است. با این حال، کارایی محصولی که بدست می آید ضعیف است و تنها برای تعدادی از محصولات ارزان قیمت می توانند بکار روند پس می توان گفت که بازار مصرف آنها محدود می باشد.

در جمع بندی مطالب فوق، می توان روش های بازیافت پلی یورتان را به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی کرد که مقایسه آنها در جدول زیر آمده است: