بازیافت فوم پلی یورتان

بازیافت مکانوشیمیایی فوم پلی یورتان با استفاده از واکنش تبادل یورتان

اگرچه بازیافت و استفاده مجدد از فوم پلی یورتان (PUF) یک مسیر امیدوارکننده برای مقابله با ضایعات پلیمر کامودیتی است، پروتکل‌های پردازش بسیار کارآمد و سبز به‌دلیل پایداری ساختاری به چالش بزرگی تبدیل شده‌اند. در این مطالعه، یک استراتژی از واکنش‌های تبادل یورتان به‌منظور انتقال PUF سخت تجاری به ورق‌های PUF پیشنهاد شده است. این فرایند شامل پودر شدن فوم، روش پیش تصفیه و پرس گرم می‌شود. همچنین در اینجا اثرات روش پیش تصفیه بر ساختار و خواص PUF تجاری بازیافتی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد که روش پیش تصفیه آسیاب گلوله‌ای می‌تواند نقش موثری در پودر شدن PUF تجاری تا 74.5 میکرومتر و سطح 2991.0 متر مربع/کیلوگرم داشته باشد و همچنین می‌تواند واکنش تبادل اورتان را در تماس نزدیک با کاتالیزور تقویت کند. روش بازیافت پیش تصفیه آسیاب گلوله ای باعث می‌شود تا چگالی اتصال عرضی و استحکام کششی ورق‌های PUF به 2236.8 مول/مترمربع و 32.6 مگاپاسکال برسد؛ به این معنا که درمقایسه با دیگر روش‌های پیش تصفیه، به‌ترتیب افزایش 9.9 و 3.3 برابری مشاهده می‌شود. علاوه براین، ورق های PUF همچنان می‌توانند 71.5 درصد از استحکام کششی را پس از دو دوره بازیافت حفظ کنند که نشان دهنده پتانسیل این روش بازیافت برای PUF است. این روش ساده و کارآمد باعث افزایش پتانسیل استفاده از PUF سخت شده و به پتانسیل بالای آن در بازیافت ارزش افزوده ترموست اشاره دارد.

از پلی یورتان باتوجه به خواص خوبی که دارد به‌طور گسترده در ساخت صندلی ماشین، کفش پوش، عایق، عایق صدا، مبلمان و عایق یخچال استفاده می‌شود. در این میان، PUF بیش از 50 درصد از مقادیر کل مواد پلی یورتان را تشکیل می‌دهد. از آنجا که PUF ها درمعرض سایش و فرسایش قرار می‌گیرند، در هنگام استفاده یا جایگزینی دیگر محصولات حجم عظیمی از زباله‌ها را در بر می‌گیرند. باتوجه به این واقعیت که پلی یورتان یک پلیمر مشبک است که قابلیت قالب گیری مجدد یا تجزیه ندارد، بازیافت آن بسیار دشوار است. درحال حاضر، روش بازیافت پلی یورتان اساسا بازیافت فیزیکی و شیمیایی است. بازیافت فیزیکی به معنای آسیاب کردن ضایعات PUF و سپس استفاده از آن با باندینگ دوباره مواد به‌عنوان پرکننده در ساخت دیگر محصولات است. عملکرد مکانیکی این مواد بازیافتی کمتر از عملکرد مواد اصلی است. به نظر می‌رسد بازیافت شیمیایی پلی یورتان روشی بالقوه برای بازیافت پلیول‌ها با گلیکولیز یا اسیدولیز باشد که می‌تواند به عنوان مواد اولیه در واکنش ایزوسیانات‌ها به بازیافت در ساخت پلی یورتان جدید استفاده شود. این بدان معنا است که بازیافت مواد شیمیایی به زمان واکنش بالا و تجهیزات واکنش بیشتری نیاز دارد که هزینه فرایند بازیافت را بالا می‌برد. بنابراین، این محدودیت‌ها یک استراتژی جایگزین برای بهبود پایداری PUF با پردازش مجدد آنها ازطریق روش‌های ساده و مستقیم به منظور تولید محصولات معادل یا حتی با ارزش بالا مطرح می‌کنند. مواد پلیمری با شبکه‌های اتصال عرضی کووالانسی برگشت پذیر به عنوان ویتریمر تفسیر می‌شوند. پیوندهای دینامیک در ویتریمرها با کمک تحریک دما، pH و نور می‌توانند واکنش‌های بازآرایی توپولوژیکی را تجربه ‌کنند که آن هم امکان پردازش مجدد رزین‌های ترموست را فراهم می‌کند. ویتریمرها دارای خواص مکانیکی مشابهی به رزین‌های معمولی ترموست هستند که می‌توانند طی فرایند تبادل پیوند مجدد مدلسازی شوند.

در سال 2011، لیبلر و همکارانش سیستم رزین اپوکسی-اسید را شناسایی کردند که می‌تواند تحت واکنش‌های ترانس استریفیکاسیون در حضور Zn²⁺ در دماهای بالا قرار گرفته و منجر به بازآرایی اپولوژیکی ساختار عرضی آن می‌شود. در این شرایط، زنجیره‌های مولکولی رزین اپوکسی اسید آرامش استرس سریعی را تجربه کرده و روان شوند. این کار به آنها اجازه می‌دهد تا مانند رزین ترموپلاستیک قابلیت پردازش مجدد داشته باشند. علاوه براین، ویتریمرهای بیشتری براساس دیگر پیوندهای دینامیکی ازجمله دی سولفیدها، استرهای بورونیک، ایمین‌ها و سیلوکسان‌ها کشف شد. اگرچه این پیوندهای دینامیکی جدید می‌توانند الهام بخش طراحی ترموست باشند، اما به طور معمول در ترموست‌های تجاری موجود یافت نمی‌شوند. تبادل بیشتر ویتریمرها در حضور کاتالیزورها انجام می‌شود تا به قابلیت پردازش مجدد برسند، اما پتانسیل تبادل کاتالیزوری پیوندهای شیمیایی موجود در ترموست‌های تجاری که قابل پردازش مجدد هستند تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. استفاده از کاتالیزورها برای کاتالیز کردن تبادل پیوند رزین‌های ترموست ضایعاتی موجود و بازفرآوری مستقیم آنها به منظور تولید کامپوزیت‌هایی با کارایی و ارزش افزوده بالا رواج دارد. پس از افزودن کاتالیزورهای قلع برای القای تبادل پیوندهای یورتان، پلی یورتان ترموست نشان داد که برای پردازش مجدد از پتانسیل چکش خواری برخوردار است. اخیرا کوین و همکارانش مجموعه‌ای از PUF حاوی محتویات مختلف زیستی را بررسی کرده و موفق به آپ سایکل مواد PUF مخلوط تحت کاتابیست تبادل یورتان DBTDL شدند. وانگ و همکارانش نیز نشان دادند که از مکانوشیمیایی می‌توان برای بازیافت ضایعات رزین اپوکسی ترموست استفاده کرد که پیوندهایش با مکانیک شیمی شکسته شده و شبکه‌های عرضی جدیدی را ازطریق بازپخت تشکیل دادند که مجددا برای ساخت کامپوزیت‌های جدید با مقاومت مکانیکی افزایش یافته پردازش می‌شوند. برخلاف رزین‌های اپوکسی، پیوندهای یورتان در پلی یورتان‌ها می‌توانند در دماهای بالا جدا شده و منجر به تشکیل ایزوسیانات و پلیول شوند که آنها هم آرامش استرس سریع و پردازش مجدد را به همراه دارند.

در این پژوهش، PUF تجاری درنهایت با موفقیت با استفاده از روش پیش تصفیه آسیاب گلوله‌ای به ورق‌های با استحکام بالا پس از بارگیری با کاتالیزور تبادل یورتان تبدیل شدند. ورق PUF بازپردازش شده با پیش تصفیه آسیاب گلوله ای چگالی اتصال عرضی بالاتر و افزایش استحکام کششی از 2.6-9.8 تا 6.7-32.6 مگاپاسکال داشت. علاوه براین، نتایج حاصل از ورق‌های SEM نشان داد این ورق‌ها با سه روش پیش تصفیه تهیه شدند؛ پیش تصفیه آسیاب گلوله‌ای برای حذف هوای محبوس شده در PUF و تشکیل ساختار داخلی متراکم موثر بود. باوجود نیروی مکانیکی قوی، روش پیش تصفیه آسیاب گلوله‌ای می‌تواند به طور موثری اندازه ذرات PUF را کاهش دهد؛ سطح را افزایش دهد؛ و گروه‌های واکنش جدید را ازطریق مکانیک شیمیایی ایجاد کند که امکان تبادل یورتان و بهبود پردازش مجدد PUF را فراهم می‌کنند. زمان آرامش مواد بسیار کوتاه شده است؛ از 1336.7 ثانیه برای ورق D-PU تا 196.3 ثانیه برای ورق B-PU، که نشان داد که مواد دارای پس از پیش تصفیه آسیاب گلوله ای تحت تبادل دینامیکی سریع زیر کاتالیزور قرار گرفتند. پس از یک چرخه پردازش مجدد در شرایط مشابه، ورق B-PU هنوز استحکام کششی اولیه خود را تا 71.5 درصد حفظ کرده که بالاتر از ورق D-PU است. به طور کلی، این کار از طریق راهکار بازیافت آسیاب گلوله‌ای به بازیافت ضایعات باارزش دست یافت که PUF تجاری را در زمان آرامش کم مجدد، ورق با قابلیت پردازش چندگانه و مقاومت بالا را مجدد پردازش می‌کند. این کار پتانسیل این را دارد که برای آپ سایکل بسیاری از مواد ضایعات ترموست موجود استفاده شود.