Plan analizy

Głównym założeniem było wykonanie kompleksowej analizy cyklu istnienia dwóch opon różnego typu (tradycyjnej i ekologicznej) z wykorzystaniem środowiskowej oceny cyklu życia (LCA), która następnie posłuży do zarządzania cyklem życia (LCM) rozpatrywanych obiektów oraz pozwoli na sformułowanie zaleceń i wytycznych do bardziej prośrodowiskowego rozwoju opon samochodowych.

Celem badań i rozważań był także rozwój podstawowych właściwości granulatu gumowego uzyskanego w młynie oraz produktu jego „dewulkanizacji” (regeneracji), i możliwości ich zastosowania do wytwarzania wyrobów gumowych (tabela 3.1).

W dalszym tekście produkty te oraz zawierające je mieszanki i wulkanizaty będą zawierały odpowiednio symbol M (wsad-ścier gumowy przed rozdrobnieniem) lub DM (produkt rozdrobnienia).

32

Tabela 3.1.

Analiza granulometryczna wsadu gumowego w procesie rozdrabniania oraz produktu rozdrobnienia [Tomporowski i in. 2018]

WSAD (M): ŚCIER GUMOWY PRZED ROZDRABNIANIEM. ŚREDNI WYMIAR ZIARNA: 1-3 mm

Histogram ścieru, wsadu rozdrabniacza

Skład granulometryczny ścieru, wsadu rozdrabniacza

Dystrybuanta ścieru, wsadu rozdrabniacza PRODUKT ROZDRABNIANIA (DM)

Histogram produktu rozdrabniania

Skład granulometryczny produktu rozdrabniania

Dystrybuanta produktu rozdrabniania

Próbki produktów charakteryzują się dość dużym rozrzutem wymiaru ziaren (granulat M, szacunkowo: większość w przedziale 1-3 mm), natomiast produkt jego „dewulkanizacji”

(DM) ma mniejsze ziarna i nieco węższy rozrzut ich wymiaru (tab.3.1.). Z oznaczeń pęcznienia równowagowego w toluenie i heksanie (tab.3.2) wynika, że produkt

„dewulkanizacji”, w granicach błędu i niepewności oznaczenia, wynikających m.in.

z niejednorodności i struktury tych materiałów, charakteryzuje się praktycznie takim samym stopniem usieciowania jak próbka odniesienia. Oznacza to, że zastosowana metoda i warunki

„dewulkanizacji” nie przyniosły w pełni oczekiwanych rezultatów.

W celu oceny wpływu granulatu i jego „dewulkanizatu” na właściwości mieszanek i wulkanizatów, a pośrednio do oceny potencjalnej stosowalności tych produktów do wytwarzania wyrobów gumowych, sporządzono mieszanki kauczukowe i ich wulkanizaty.

Skład badanych mieszanek (receptura) oraz wybrane właściwości mieszanek i ich wulkanizatów zestawiono w tab. 3.2.

33

Tabela 3.2. Skład i podstawowe właściwości mieszanek kauczukowych oraz wytworzonych z nich wulkanizatów; PO – mieszanka i wulkanizat odniesienia; PO/M20, PO/DM20 – mieszanka i wulkanizat zawierające odpowiednio granulat M lub produkt jego „dewulkanizacji” DM [Tomporowski i in. 2018]

Gdzie: Se100, Se200, Se300: naprężenie przy wydłużeniu względnym 100, 200 lub 300 % (miara sztywności); TSb – wytrzymałość na rozciąganie; Eb - wydłużenie względne przy zerwaniu; QwT, QwH – pęcznienie równowagowe w toluenie lub heptanie (miara stopnia usieciowania; im mniejsza wartość Qw w danym rozpuszczalniku, tym większy stopień usieciowania); -QwT – zawartość substancji ekstrahowanych przez toluen podczas pęcznienia; EH, – zawartość substancji ekstrahowanych przez wrzący heksan (miara zawartości małocząsteczkowych substancji organicznych i frakcji celowej w wulkanizacie); EAc – zawartość substancji ekstrahowanych przez gorący aceton (miara zawartości małocząsteczkowych substancji organicznych w wulkanizacie).

Zastosowana receptura PO jest zalecana m.in. na mieszanki kauczukowe do wytwarzania uszczelnień i innych technicznych artykułów gumowych ogólnego stosowania, pracujących w temperaturze (-40÷+100) ^oC. Właściwości mieszanki i wulkanizatu o symbolu PO traktowane były jako punkt odniesienia. Wykonane badania obejmowały oznaczenia jedynie wybranych, ale reprezentatywnych właściwości, charakteryzujących podstawowe cechy jakościowe mieszanek i ich wulkanizatów.

Algorytmy genetyczne, sterujące jakością produktu i efektywnością procesu, w ogólnym ujęciu rozwoju optymalnych stanów postulowanych SP: efektywności działania, nieszkodliwości oddziaływania oraz jakości produktu wybranego procesu przetwarzania gumy zaproponowano szczególną relację wskaźników miar jakości (J), nieszkodliwości (N) i efektywności (E) odpowiednio do celów przetwórstwa, w postaci [Tomporowski i in. 2018]:

1 1

Symbol mieszanki i jej wulkanizatu PO PO/M20 PO/DM20

Właściwości wulkametryczne mieszanek, T = 433 K

Minimalny moment wulkametryczny, dNm 21,7 21,6 20,6

Maksymalny moment wulkametryczny, dNm 98,4 96,6 100,2

Przyrost momentu wulkametrycznego, dNm 76,6 75,0 79,6

Czas podwulkanizacji, min 1,5 1,2 1,1

Właściwości wulkanizatu; wulkanizacja mieszanek: 6 min w T = 433 K

Se100, MPa 3,9 3,4 3,4

34

gdzie (wielkości szczegółowo opisano w tabeli 3.2):

SPP – stany postulowane produktu mielenia M, DM,

SPPG – stany postulowane dewulkanizacyjnego przetwarzania gumy M i DM, kQ, kS - wskaźniki wagi kryterium,

– zużycie energii na wytwarzanie granulatu, Np

– emisyjność CO₂ wytwarzani granulatu gumowego,

) (ept

Eef

– efektywność ekonomiczna wytwarzania granulatu lub regeneratu,

oraz w odniesieniu do stanu postulowanego całkowitego SPT technologii M lub DM

Wskaźniki te przyjmują wartości z dopuszczalnego i prooptymalnego zakresu, dla produktu w postaci granulatu M20 wskaźnik stanu postulowanego produktu SPP=0,818, dla procesu z dewulkanizacja M20 wskaźnik stanu postulowanego procesu dewulkanizatu SPPG=0,703. Natomiast wskaźnik stanu postulowanego dla technologii z produktem M20 do postaci dewulkanizatu daje wartości świadczące o harmonii stanów postulowanych procesu i produktu SPT=0,141.

Należy podkreślić, że mieszanki PO/M i PO/DM, tj. zawierające M lub DM jako składniki modyfikujące, charakteryzowały się makroskopowo niezbyt jednorodną powierzchnią, świadczącą o nienajlepszej ich dyspersji w matrycy kauczuku butadienowo-styrenowego. Zastosowanie M lub DM jako składników/modyfikatorów mieszanek nie miało istotnego wpływu na lepkość mieszanek, szybkość ich wulkanizacji oraz osiągany stopień usieciowania, spowodowało jednakże widoczne skrócenie czasu podwulkanizacji, tj. pogorszenie bezpieczeństwa przetwarzania w podwyższonej temperaturze mieszanek zawierających M lub DM jako składniki. Cechy te mogą jednak podlegać dalszym,

35 prawdopodobnie niekorzystnym zmianom przy zwiększonej zawartości jednego lub obu modyfikatorów w mieszance.

Makroskopowa niejednorodność mieszanek i wulkanizatów zmodyfikowanych M lub DM jest jedną z przyczyn wyraźnie mniejszej wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia względnego przy zerwaniu, w porównaniu z wulkanizatem PO, zawierającym kauczuk usieciowany bez granulatu lub „dewulkanizatu”. Zastosowanie tych modyfikatorów w ilości 20 cz. wag. spowodowało także pewne obniżenie sztywności, a ponadto niewielkie zmniejszenie osiąganego stopnia usieciowania. Osiągnięcie większego postępu/stopnia usieciowania jest możliwe w drodze zwiększenia zawartości substancji sieciujących, co mogłoby jednakże negatywnie wpływać na bezpieczeństwo przetwarzania mieszanek [Tomporowski i in. 2018].

Osiągnięto wstępny cel, polegający na analizie, badaniach i twórczym, innowacyjnym koncypowaniu w kierunku optymalnych, rozwojowych stanów postulowanych w zakresie jakości konstrukcji opon, efektywnych parametrów procesu przetwarzania w kontekście dewulkanizacji proszku gumowego oraz racjonalnych granic zmienności parametrów procesu przygotowania miału gumowego.

Opracowanie wstępne oparto na trzech zasadniczych zagadnieniach, integralnie związanych z celami: określenie związków i wpływu warunków rozdrabniania zużytych wyrobów gumowych na właściwości przemiału, produktu; doświadczalne wyznaczenie warunków regeneracji zużytych wyrobów gumowych o właściwościach regeneratu pożądanych wulkanizacją; inteligentny rozwój oparty o analizę stanów konstrukcji opon, parametrów procesu i czynności (ruchy) maszyny, materiału przetwarzania, możliwości zmiany warunków pracy urządzenia do regeneracji (młyn wielokrawędziowy), stosowanego podczas realizacji zadania, prowadzona z punktu widzenia uzyskania produktów o szerokich możliwościach ich wykorzystania do wytwarzania wyrobów gumowych.

Szczegółowa i ukierunkowana analiza uzyskanych wyników badań prowadzi do wniosku, że istnieje potencjalna możliwość stosowania granulatu M uzyskanego w warunkach młyna wielokrawędziowego i jego „dewulkanizatu” DM jako składników mieszanek kauczukowych do wytwarzania określonych rodzajów wyrobów gumowych. Uzyskane wyniki są na tyle obiecujące, że celowe byłoby kontynuowanie badań nakierowanych na zmniejszenie wymiaru ziaren oraz wyraźne zwiększenie stopnia „dewulkanizacji” [Tomporowski i in. 2018].

Z przeprowadzonych prób walcowania granulatu i produktu jego „dewulkanizacji” (M i DM) wynika, że oba produkty nie są podatne do zimnej mastykacji. Po kilku minutach walcowania za pomocą walcarki laboratoryjnej o temperaturze walców (25÷30) ^oC nie powstaje bowiem jednolita wstęga materiału. Uzyskane folie charakteryzują się niezadowalającą przyczepnością do walców oraz bardzo chropowatą i nieciągłą powierzchnią, z widocznymi na niej oddzielnymi ziarnami granulatu. Nieco większą, ale nadal niezadowalającą podatność do walcowania, stwierdzono w przypadku „dewulkanizatu” (DM).

Uzyskanie bardziej jednorodnych makroskopowo folii tych produktów wymaga zastosowania znacznie ostrzejszych warunków walcowania, np. większej frykcji walców, bardzo małej szczeliny między walcami oraz znacznie dłuższego czasu prowadzenia tej operacji, a zatem

36 zużycia większej ilości energii. Postanowiono więc dalsze środowiskowo zorientowane analizy porównawcze opon samochodowych prowadzić w oparciu o metodykę LCA.

Pierwszy etap analiz stanowiło zgromadzenie jak największej ilości danych, niezbędnych do przeprowadzenia analizy LCA. Zostały one udostępnione przez jedną z czołowych firm wytwarzającą opony samochodowe oraz firmę zajmującą się zagospodarowaniem poużytkowym opon w formie recyklingu.

Drugi etap polegał na wykonaniu kompleksowej analizy LCA, która w fazie LCIA opierała się o wykorzystanie Ekowskaźnika 99, CED i IPCC. Przeprowadzono ocenę w zakresie oddziaływania poszczególnych związków chemicznych i substancji, jedenastu kategorii wpływu (związki rakotwórcze, związki organiczne i nieorganiczne, które powodują choroby układu oddechowego, związki powodujące zmiany klimatu, związki o charakterze promieniotwórczym, związki powodujące zwiększanie dziury ozonowej, związki ekotoksyczne, związki powodujące zakwaszenie/eutrofizację, użytkowanie gruntów, wydobycie minerałów, wydobycie paliw kopalnych), trzech obszarów oddziaływania (zdrowie człowieka, jakość środowiska, wyczerpywanie zasobów surowców), wpływu na środowisko atmosferyczne, wodne i glebowe oraz wielkości całkowitego oddziaływania na środowisko. Szczegółowo zajęto się również problematyką energochłonności i emisji gazów cieplarnianych we wszystkich etapach cyklu życia.

Wcześniejsze etapy stanowiły punkt wyjścia do przeprowadzenia analizy LCM – zarządzania cyklem życia, w wyniku której sformułowano najważniejsze zalecenia i wytyczne, mające na celu minimalizację szkodliwego oddziaływania na otoczenie cyklu istnienia opon samochodowych.

37