Artykuł naukowy

Paweł Pioś, PhD. student
Politechnika Lubelska
Nadbystrzycka 36, 20-618, Lublin,
SPOSOBY ZASTOSOWANIA GRANULATU GUMOWEGO OTRZYMYWANEGO Z
ZUŻYTYCH OPON
Streszczenie
W
artykule
przedstawiono
możliwości
zastosowań
granulatu
gumowego
pozyskiwanego z recyklingu opon samochodowych oraz innych gumowych artykułów
technicznych. Granulat gumowy wraz z tworzywem sztucznym, który jest spoiwem stanowią
główny składniki materiału, zwanego kompozytem, omawianego w tej pracy. Zbadano
niektóre właściwości tego kompozytu oraz przedstawiono sposoby jego wykorzystania.
Szczególna uwagę poświęcono wykorzystaniu tego materiału do wytwarzania ekranów
tłumiących hałas. Ten rodzaj metody zagospodarowania odpadów gumowych łączy w sobie
dwa pozytywne aspekty: pierwszy to ekologiczny aspekt ochrony środowiska poprzez
zmniejszanie odpadów gumowych, drugi to ochronę przed hałasem.
Słowa kluczowe: odpady gumowe, granulat gumowy.
1. Wstęp
Zużyte opony samochodowe stają się coraz większym problemem zarówno globalnym
jak i problemem naszego kraju. W 2000 r. ich liczba osiągnęła blisko 115 tys. ton, w 2005 r. 131 tys. ton, a obecnie gumowy stos stale rośnie [2]. Dokładne określenie, w jakim tempie
jest trudne, gdyż brak dotychczas jakichkolwiek ewidencji. Na Zachodzie i w Stanach
Zjednoczonych recykling opon stał się wyodrębnioną gałęzią przemysłu. W Polsce brakuje
mu infrastruktury
Zasadniczy problem obciążenia środowiska naturalnego przez zużyte opony wiąże się
z bardzo długim okresem naturalnego rozkładu gumy w warunkach środowiska naturalnego.
Mieszanki gumowe stosowane do produkcji opon zawierają złożone z długich łańcuchów
polimery, które ulegają biodegradacji w okresie do 100 lat. Szczególnie, jeśli weźmiemy pod
uwagę, że obecnie łączny tonaż rocznej produkcji opon to około 22 mln. ton. skutki
masowego składowania opon na wysypiskach są katastrofalne dla środowiska.
Wiele krajów ciągle poszukuje sposobów systemowego rozwiązania problemów
utylizacji i recyklingu zużytych opon lub też doskonali rozwiązania, które wdrożono w
ostatnich latach. Aby oddać skalę problemu, warto uświadomić sobie, że w Polsce roczna
produkcja opon to ok. 180 tys. ton. W wyniku eksploatacji ogumienia podczas jazdy opony
ścierają się, pozostawiając na drogach około 20 proc. swojej masy. Reszta staje się trwałym
odpadem.
Granulat gumowy pozyskiwany z odpadów gumowych od dawana jest doskonałym
materiałem wykorzystywanym w wielkich ilościach
do wytwarzania: nawierzchni
sportowych, nawierzchni drogowych, placów zabaw dla dzieci itp. Poniżej przedstawiono
niektóre z możliwych zastosowań granulatu gumowego.
Rys. 1 - Stopnie rozdrobnienia granulatu gumowego oraz tworzywa PET [1].
Podstawą omawianych dalej zastosowań jest materiał (kompozyt) złożony z granulatu
gumowego, spoiwa oraz innych dodatków (zwłaszcza sieciujących). Do wytwarzania
kompozytu stosowano połączenie granulatu gumowego z takimi tworzywami sztucznymi jak :
Polietylen małej lepkości Malen E, Polipropylen J330, Polipropylen Moplen EP440, klej
którego składnikiem wiążącym był kauczuk chloroprenowy, żywica epoksydowa. Główna
uwagę poświęcono połączeniu granulatu gumowego z polimerem poli(tereftalan etylenu)
znanego bardziej pod nazwą PET.
Zarówno sporządzanie mieszaniny, jak i wykonywanie wyrobów jest stosunkowo
proste. Próbki kompozytu wykonano na samodzielnie wykonanym stanowisku metodą
prasowania, w samodzielnie zaprojektowanym i wykonanym zespole formującym.
Rys.2 Stanowisko do prasowania [1] .
Rys.3 Zespół formujący [1].
2. Nawierzchnie syntetyczne
Nawierzchnia syntetyczna jest jednym z najlepszych rozwiązań dla publicznych
placów zabaw. Syntetyczna nawierzchnia może być stosowana zarówno na podłożu
asfaltowym, betonowym, jak również na dostatecznie utwardzonej kostce kamiennej.
Największą
zaletą
nawierzchni
syntetycznej
jest
niski
koszt
utrzymania,
bezproblemowy montaż oraz łatwość utrzymania nawierzchni w dobrym stanie technicznym,
a także wysoka odporność na wilgoć. Do głównych zalet można zaliczyć również doskonałe
właściwości antypoślizgowe i dźwiękochłonne, a co najważniejsze zminimalizowane ryzyko
urazu dzięki doskonałym właściwościom absorpcji uderzenia [3].
Nawierzchnia syntetyczna składa się z dwóch warstw. Pierwszą warstwę stanowi spód
warstwy w skład, którego wchodzi czarny granulat SBR, natomiast wierzchnią warstwę
stanowi kolorowy granulat kauczukowy EPDM. Zadaniem warstwy spodniej jest
pochłanianie energii uderzenia. Warstwa wierzchnia jest odporna na promieniowanie UV i ma
za zadanie chronić warstwę spodnią przed ścieraniem.
Rys.4 Rodzaj nawierzchni syntetycznej.
W Unii Europejskiej stosowana jest norma EN 1177, która określa wymagania
odnośnie nawierzchni stosowanych na placach zabaw, ze szczególnym uwzględnieniem
obszarów, w których niezbędna jest amortyzacja upadku. Kryterium normy, według którego
wybierana jest nawierzchnia jest HIC ( head injury criterion) = 1000. Badanie polega na
pomiarze dyssypacji energii mechanicznej kuli o wymiarach zbliżonych do głowy dziecka.
Elastyczna kostka brukowa swoim kształtem oraz sposobem układania nie różni się
niczym od kostki wykonanej z betonu, różnica polega ich właściwościach. Elastyczna kostkę
brukową stosuje się dla poprawy komfortu podczas chodzenia oraz złagodzenia ujemnych
skutków upadków. Znajduje zastosowanie w miejscach często odwiedzanych przez dzieci. W
zależności od potrzeby wykonuje się kostki twarde z drobnego granulatu gumowego (0 –
2mm) o gęstości pozornej 1,1 g/cm3 i niewielkiej nasiąkliwości woda oraz kostki miękkiej z
większego granulatu ( od 1 do nawet 7 mm) i małej gęstości pozornej 0,6 g/cm3.
Rys.5 Przykładowy wariant przygotowania podłoża
pod elastyczną kostkę brukową.
Płytki gumowe są produkowane z kolorowego granulatu gumowego o wielkości ziaren
ok. 1 - 3 mm, związanego klejem poliuretanowym. Połączenie tych składników daje w
rezultacie bezpieczną nawierzchnię o wysokich właściwościach absorpcji uderzenia. Płytki
gumowe układane są na asfalcie, betonie oraz jakimkolwiek innym utwardzonym podłożu i
łączone ze sobą za pomocą systemu łączników. Płytki tego typu nie łamią się, dzięki czemu
zapewniona jest ich trwałość na długi czas. Mało, który inny rodzaj nawierzchni posiada tak
wiele zalet jak nawierzchnia z płytek gumowych.
Maty gumowe mogą być instalowane bezpośrednio na nawierzchni piaszczystej lub
żwirowej. W komplecie z matami znajduje się system plastikowych łączników, który
zapewnia idealne zespolenie mat. Podstawową zaletą mat gumowych jest fakt, iż
przygotowanie terenu ogranicza się do wyrównania i utwardzenia warstwy piasku lub żwiru.
Nawierzchnia tego typu może być stosowana zarówno na placach zabaw jak i obiektach
sportowych. Powierzchnia maty gumowej ma formę odcisków pierścieni z otworami,
umożliwiającymi swobodny wzrost trawy przez matę. Maty gumowe nadają się do
stosowania wszędzie tam gdzie temperatura waha się pomiędzy -30 a +70 stopni C. Do zalet
mat gumowych niewątpliwie należy zaliczyć: łatwość montażu, wysoką trwałość oraz
estetyczny wygląd.
Dobór granulatu gumowego na kostkę brukowa czy inne nawierzchnie elastyczne jak
płytki czy maty gumowe w dużej mierze jest uzależniona od miejsca stosowania danych
wyrobów. Inne parametry doboru granulatu będą przyświecać materiałom stosowanym na
placach zabaw a inne przed centrami handlowymi, czy w miejscach o dużym natężeniu
pieszych.
3. Płyty wibroizolacyjne
W związku ze wzrostem obciążeń spowodowanych emisją drgań i jednoczesnym
wyczuleniem ludności na hałas i wstrząsy, coraz częściej opracowuje się program produktów
do izolacji od drgań i dźwięków materiałowych. Materiały tłumiące służą do wytłumiania
drgań bezpośrednio przy źródle emisji, np. w transporcie szynowym, lub pośrednio w miejscu
oddziaływania, np. izolując pasywnie budynki stojące obok torowisk, lub w pobliżu maszyn o
dużych wibracjach [4]. Transport szynowy wytwarza silne drgania, które przez otoczenie są
odczuwane jako zakłócające, wtórne dźwięki powietrzne. Istnieją jednak możliwości,
znacznej ich redukcji.
Rys.6 Schemat drgań wytwarzanych przez transport szynowy.
Maty podtorowe produkowane są z granulatu gumowego ze spoiwem poliuretanowym
o porach częściowo zamkniętych, przeznaczone do stosowania w torowiskach tramwajowych
o konstrukcji podsypkowej lub bezpodsypkowej. Układa się je pod podbudową oraz z boków
podbudowy torowiska. Pozwala to na wytłumienie pionowych i poziomych drgań powstałych
w podsypce lub płycie betonowej wywołanych użytkowaniem torowiska. Tłumienie drgań
następuje na skutek wykorzystania efektu tzw. masy odsprężynowanej, jaką stanowi ułożona
na sprężystej warstwie maty podbudowa wraz z nawierzchnią torową, a w torowiskach
wspólnych z jezdnią również wraz z nawierzchnią drogową.
Dobre właściwości wibroizolacyjne tego rodzaju materiału wynikają z występowania
pustych przestrzeni w całej objętości wyrobu, które dają możliwość wielu mikrodeformacji.
Guma praktycznie jest nieściśliwa (współczynnik Poissona bliski 0,5), zatem możliwość
odkształcenia płyty wykonanej z litej gumy są znacznie mniejsze niż płyty wykonanej z
granulatu gumowego.
4. Ekrany tłumiące hałas
Według wszystkich przepisów i zagadnień, dotyczących ochrony zdrowia w miejscu
pracy, człowiek powinien mieć możliwość funkcjonowania w warunkach niezagrażających
życiu oraz zdrowiu. Jednym z wielu zagadnień dotyczących BHP jest ochrona słuchu przed
nadmiernym hałasem. W dzisiejszych czasach stosuje się wiele technik, związanych ze
zmniejszeniem niepożądanych wrażeń słuchowych, polegających na ochronie pracowników.
Inaczej postępuje się w przypadku hałasów komunikacyjnych, a inaczej, gdy źródłem
uciążliwego dźwięku jest szeroko pojęty przemysł. Z kolei jeszcze innym zagadnieniem jest
akustyka wnętrz, gdzie oprócz skuteczności eliminacji hałasu ważnym elementem jest
estetyka, a czasem wyeksponowanie dźwięku (np. w salach konferencyjnych, wykładowych i
koncertowych).
W praktyce do ograniczania hałasu stosuje się głównie ekrany akustyczne i panele
wygłuszające pomieszczenia. Biorąc pod uwagę sposób oddziaływania z falą akustyczną,
materiały, z których są wykonane przeszkody akustyczne, możemy podzielić na
dźwiękoizolacyjne i dźwiękochłonne. Materiały dźwiękoizolacyjne działają na zasadzie
odbicia fali akustycznej. Charakteryzują się one zwięzłą powierzchnią i są to najczęściej
materiały ceramiczne, wyroby szklane, metaliczne oraz tworzywa sztuczne, m.in.
poli(metakrylan metylu), poliwęglany i polietyleny. Występują one w formie płyt o bardziej
lub mniej rozwiniętej powierzchni. Z kolei materiały dźwiękochłonne, których istotą działania
jest absorpcja energii akustycznej, muszą się charakteryzować dużą powierzchnią właściwą
oraz porowatością. Stosuje się tutaj głównie materiały gumowe oraz polimerowe materiały
piankowe o strukturze otwartokomórkowej.
Ekrany tłumiące hałas składają się z kompozytowych elementów gumowych (granulat
gumowy i spoiwo), oraz specjalnie ukształtowanej powierzchni zwiększającej tłumienie
dźwięku.
Właściwości akustyczne
Niżej omawiany materiał to kompozyt powstający z połączenia granulatu gumowego z
tworzywem poli(tereftalan etylenu) znanego bardziej pod nazwą PET. W trakcie badań nad
kompozytem dokonano optymalizacji mieszanki, oraz podstawowych badań mechanicznych i
akustycznych.
Rys.7 Próbka kompozytu powstała z połączenia
granulatu gumowego z tworzywem PET [1]
Masę i wymiary próbki kompozytu w relacji do siły nacisku stempla określono
eksperymentalnie stosując matryce własnej konstrukcji. Scalając porcje składników o masie
30g, wywierano taki nacisk, aby wysokość uzyskanego kompozytu była mniej więcej równa
wysokości 10mm.
Rys.8 Widok rozkładu granulatu gumowego w kompozycie.
Badania akustyczne przeprowadzono na samodzielnie opracowanym i wykonanym
stanowisku badawczym. Istotą sposobu badania tłumienia fali akustycznej w wytworach
kompozytowych jest to, że badaną próbkę w kształcie walca wykonaną z kompozytu
granulatu gumowego oraz materiałów polimerowych mocuje się w uchwycie urządzenia
gnieździe korpusu, po czym z głośnika, który jest przymocowany do kanału emituje się źródło
fali akustycznej, którą przepuszcza się przez badaną próbkę, przy czym część fali akustycznej
jest pochłaniana przez badaną próbkę, a część kieruje się do sonometru, natomiast wynik
pomiaru wyświetla się na ekranie sonometru.
Rys. 9 Stanowisko do badania właściwości akustycznych.
Realizując program badań, przebadano akustycznie 30 próbek materiałów, określając
wartość izolacyjności akustycznej. Próbki materiałów wykonane na bazie granulatu
gumowego, różniły się między sobą procentowym udziałem w danej próbce. Każda z
badanych próbek miała inna masę objętościową. Próbki w tym etapie badań natomiast nie
różniły się wielkością granulatu gumowego a także rodzajem lepiszcza stosowanego w
kompozycie.
Ponieważ w dalszej perspektywie dla panelu, w którym będzie zastosowany badany
materiał charakteryzujący się dobrymi własnościami pochłaniania dźwięku, klasa właściwości
pochłaniających będzie określana wstępnie – na drodze teoretycznej, wszystkie badania
mające określić wartość fizycznego współczynnika pochłaniania zostały przeprowadzone w
paśmie częstotliwości tercjowych.
Wyniki badań
Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono na wykresie i w zbiorczym
zestawieniu tabelarycznym (tabela). Rys. 10 obrazuje charakterystyki pochłaniania dźwięku
przez różne próbki kompozytu o zróżnicowanym udziale procentowym wykonanym na bazie
granulatu gumowego.
Komora
Komora
Komora
Komora
Komora
Odbiorcza Odbiorcza Odbiorcza Odbiorcza Odbiorcza
Komora
Granulat
Granulat
Granulat
Granulat
Granulat
Nadawcza
30/70
40/60
50/50
60/40
70/30
Częstotliwość Hz
dB
dB
dB
dB
dB
dB
80
79,50
51,70
46,10
50,90
52,20
47,50
100
81,90
52,50
45,70
52,90
55,40
47,10
125
86,50
65,60
67,40
67,40
59,70
55,20
160
88,40
69,20
66,90
67,80
65,90
69,10
200
89,10
44,80
58,40
62,40
60,50
55,80
250
99,00
45,70
47,90
48,20
49,60
50,80
315
95,40
54,10
61,80
57,80
61,70
59,80
400
96,40
72,00
80,30
73,60
72,80
76,50
500
110,00
73,70
51,70
59,40
56,00
57,40
630
102,70
68,30
66,40
62,60
54,20
61,10
800
97,00
62,30
67,80
68,70
59,40
57,80
1000
93,80
66,00
71,50
58,80
70,50
70,30
1250
93,10
68,90
68,50
67,70
64,80
65,10
1600
78,10
53,90
57,00
51,20
60,60
55,40
2000
74,80
43,40
49,50
37,70
58,10
60,80
2500
73,00
50,10
44,10
44,50
47,00
49,80
3150
56,00
39,20
47,10
43,20
43,50
40,90
4000
53,90
31,70
29,50
36,00
31,70
34,70
Tabela. 1 Wartość pomiaru akustycznego dla poszczególnych próbek (gdzie oznaczenie
Granulat 30/70 oznacza, że kompozyt składa się z 30% objętości granulatu gumowego a
70% stanowi spoiwo).
Izolacyjnośc akustyczna
Wartość izolacyjności akustycznej
(dB)
70,00
60,00
50,00
Granulat 30/70
40,00
Granulat 40/60
Granulat 50/50
30,00
Granulat 60/40
20,00
Granulat 70/30
10,00
4000
3150
2500
2000
1600
1250
1000
800
630
500
400
315
250
200
160
125
100
80
0,00
Częstotliwość (Hz)
Rys. 10 Charakterystyka izolacyjności akustycznej dla poszczególnych próbek
kompozytu.
Próbki
kompozytu,
który
badano
maja
być
stosowane
jako
wykładziny
dźwiękochłonne drogowych ekranów akustycznych. Takie panele muszą mieć określone
właściwości pochłaniające dźwięki zgodne z obowiązująca normą PN-EN 1793-1:2001
Przeprowadzone wstępne badania akustyczne zaprezentowane w artykule pozwoliły
określić właściwości pochłaniające dźwięk danego kompozytu. Pozwoliły również na
uzyskanie wyników, które pomogły w ocenie możliwości wykorzystania danego materiału w
ściennych ekranach akustycznych. Badania wykazała również ze dany materiał z
powodzeniem może być zaliczony do grupy materiałów o własnościach pochłaniających
dźwięk.
5. Wnioski
Recykling odpadów gumowych jest tematem bardzo innowacyjnym oraz dającym
duże perspektywy rozwoju. Nowe metody zastosowania odpadów gumowych oraz nowe
technologie ich przetwarzania są przedmiotem licznych prac naukowych oraz prac
badawczych prowadzonych niemal na całym świecie.
5. Literatura
1.
Pioś P., Tarkowski P.: „Zastosowanie granulatu gumowego z recykling opon do
wytwarzania ekranów
dźwiękochłonnych”. Archiwum Motoryzacji,
Wydawnictwo Naukowe PTNM 2011r (w druku).
2.
Pyskło L., Parasiewicz W.:, Recykling zużytych opon, zeszyt monograficzny Instytutu
PrzemysłuGumowego, listopad 2001
3.
Konieczka R.,: „ Wykładzina bieżni skoczni w dal z kompozytu guma-polietylen
wytworzonego z tworzyw wtórnych”, Akademia techniczno - rolnicza w Bydgoszczy.
4.
Hordecka R., Klabińska M., Piłat J., Radziszewski P., Sybilski D.,: „Wykorzystanie
zużytych opon samochodowych w budownictwie drogowym”. Instytut Badawczy
Dróg i Mostów, Warszawa 2002