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/cm 3 i niewielkiej nasiąkliwości woda oraz kostki miękkiej z większego granulatu ( od 1 do nawet 7 mm) i małej gęstości pozornej 0,6 g/cm 3. 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. Nadawcza Odbiorcza Granulat 30/70 Odbiorcza Granulat 40/60 Odbiorcza Granulat 50/50 Odbiorcza Granulat 60/40 Odbiorcza Granulat 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).
80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 Wartość izolacyjności akustycznej (db) Izolacyjnośc akustyczna 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 Granulat 30/70 Granulat 40/60 Granulat 50/50 Granulat 60/40 Granulat 70/30 10,00 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