Proces homogenizácie – opotrebované pneumatiky

 

Kompozitné materiály (z lat. „composita“– zložený) sú tvo­rené z dvoch alebo viacerých chemicky rozdielnych zlo­žiek. Minimálne jedna zo zložiek je označovaná ako mat­rica (z angl. „matrix“), je kontinuálna. Druhá zložka je v matrici dispergovaná a označuje sa ako plnivo (z angl. „filler“). Pri výskume boli použité textílie z opotrebovaných pneumatík, kto­ré boli v rôznom percentuálnom podiele pridávané do zmesí a za­stávali funkciu plniva. Matricou bol termoplast recyklovaný poly­vinylbutyral (PVB).

 

Materiál a metódy

Východzím materiálom pri riešení danej problematiky boli opot­rebované pneumatiky. Vplyvom rozvoja motorizmu a tiež výroby automobilov, produkcia pneumatík celosvetovo rastie. Okrem iné­ho je to tiež množstvo pneumatík, ktoré prestali plniť svoju funk­ciu, a tým sa dostali medzi odpadovú surovinu. Najvýznamnejšími vedľajšími produktmi, po zhodnocovaní opotrebovaných pneuma­tík sú gumová drvina, textil a oceľ. V súčasnosti sú známe mnohé technológie, ktoré zhodnocujú tento odpad. Najvýznamnejší po­diel v produkcií má výroba gumového granulátu, ktorého apliká­cie použitia sú známe. Oceľ je zložka, s ktorou sa tiež nakladá po­merne ľahko. Po odseparovaní putuje ďalej na spracovanie. Jedinou zložkou, s ktorou sa v súčasnosti experimentuje je textil. Pre svoje tepelnoizolačné, zvukovo izolačné vlastnosti má tiež svoje miesto v cestnom staviteľstve. Vo veľkej miere sa však tento druh odpadu spaľuje, vo forme brikiet, kde jeho výhrevnosť je 25,63 MJ.kg-1 a je porovnateľná s inými druhmi palív.

V tabuľke č. 1 je popísané zloženie textilu, používaného pri našom výskume. Textílie z opotrebovaných pneumatík pochá­dzajú z osobných a nákladných vozidiel.

Matricou je termoplast s názvom polyvinylbutyral, sumárny vzo­rec termoplastu je PVB. Polyvinylbutyral (alebo PVB) je termoplast, ktorý sa zvyčajne používa pre aplikácie vyžadujúce silné väzby, op­tické vlastnosti (priehľadnosť), priľnavosť k mnohým plochám, pevnosť a pružnosť. Pripravuje sa z polyvinylalkoholu po reakcii s butyraldehydom.

Medzi hlavné aplikácie použitia PVB, je použitie na vrstvené bez­pečnostné sklo pre automobilový priemysel. Vyrába sa v niekoľ­kých druhoch, líšiacich sa stupňom acetalizácie a molekulárnej hmotnosti. V tab. 2 sú uvedené charakteristiky poly­vinylbutyralu. Je to jediná fólia, ktorá dokáže zlepiť pomocou špe­ciálnej technológie dve rovnaké skla navzájom. Týmto spojením vznikne vrstvené bezpečnostní sklo. Vrstvené znamená, že je zlože­né z dvoch vrstiev skla a jednej vrstvy PVB fólie. Bezpečnostní zna­mená, že keď sa toto sklo rozbije, nerozpadne sa, ale zostane poko­pe bez uvolnenia črepín a kúskov skla, ktoré môžu zraniť človeka.

Na prípravu kompozitu bolo použité kontinuálne miešanie jednot­livých zmesí. Na kontinuálne miešanie polymérov sa v moderných technologických linkách využívajú dvojzávitovkové miešacie zaria­denia. Termoplasty sa takmer výlučne pripravujú na dvojzávitovko­vých zariadeniach, menej náročné miešania na jednozávitovkových zariadeniach so zaradenými hnetacími a miešacími elementmi. Pre kaučuky sú závitovky ako zariadenia pre prípravu zmesí nevýhodné. [2] V tab. 3 sú popísané základné charakteristiky mie­šania jednotlivých zložiek.

Dvojzávitovkové vytláčacie stroje majú v puzdre dve závitovky, kto­ré môžu byť uložené tak, že ich závity sa vzájomne prekrývajú, ale­bo sú uložené bez vzájomného prekryvu. Na prípravu zmesí sa vy­užívajú len dvojzávitovky so vzájomným prekryvom závitov. Smer rotácie závitoviek môže byť súhlasný, alebo protichodný. Moderné dvojzávitovky sú konštruované segmentálne, t. j. jednotlivé elemen­ty (závity) je možné na jadre vymieňať resp. inak usporiadať.[2] V našom prípade bola na homogenizáciu zmesi použitá dvojitá zá­vitovka a konkrétne prístroj na hnetenie polymérov Plastic-Corder W 350 E, Brabender (Nemecko). Samotnému hneteniu predchá­dzalo stanovenie hmotnosti danej vzorky, potrebnej najskôr na hnetenie a neskôr na lisovanie. V našom prípade bola celková hmotnosť zmesi 200 g. Pri hnetení sme vychádzali z predpokladu, že chceme testovať kompozity so složením 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % a 80 % podielom textílie z opotrebovaných pne­umatík. Stanovili sme nasledujúce hmotnosti jednotlivých zložiek, ktoré sú uvedené v tab. 4.

 

Výsledky a diskusia

Počas homogenizácie jednotlivých zložiek a % podielov textílie v kompozitnom materiály sme sledovali priebeh teplotnej kriv­ky a krútiaceho momentu. Pomocou softwaru, ktorý bol súčas­ťou prístroja Brabender sme vyhodnotili priebeh homogenizácie. Prvým krokom bol predhrev stroja na požadovanú pracovnú tep­lotu. Zahrievanie trvalo 10 min., po dosiahnutí teploty 100 °C sa pridával do plniaceho otvoru polyvinylbutyral (PVB), homogenizá­cia trvala 20 min., po ukončení homogenizácie prvej zložky sa po­stupne pridávalo množstvo textílií, pomáhalo sa pri tom závažím, aby sa celé požadované množstvo dostalo do hnetiaceho stroja. Homogenizácia, už spolu s textíliou, trvala 30 min. Celé hnetenie bolo nastavené na čas 60 min. Na ďalšie homogenizovanie zložiek s vyšším podielom textílií sa čas skrátil približne o 10 min, pretože stroj už bol nahriaty na pracovnú teplotu.

Pri homogenizácií čistého termoplastu PVB (bez prídavku textílie) bol stanovený čas na 30 min.

 

Legenda k obrázkom homogenizácie

Masstemperatur – teplota zmesí, udávaná v [°C]

Zeit – časový priebeh homogenizácie, čas udávaný v [h, min, s ]

Drehmoment – krúciaci moment [N.m-1]

Na obr. 3 vidíme, homogenizáciu polyvinylbutyralu a 10 % podie­lu textílií z opotrebovaných pneumatík. Z grafu je vidieť, že homo­genizácia prebiehala v časovom rozmedzí 15 min., na homogeni­záciu samotného PVB nie je potrebný dlhý čas hnetenia, pretože materiál je dostatočne plastický a už pri teplote 150 °C dochádza k jeho úplnému zhomogenizovaniu. Po pridaní textílií teplota kles­ne o niekoľko stupňov, čo je spôsobené ochladením zmesí po pri­daní materiálu. Po krátkom časovom úseku opäť stúpla teplota na hodnotu 160 °C.

Obr. 4 ukazuje na homogenizáciu zmesí s obsahom 20 %, 30 % a 40 % podielu tex­tílií, kedy ku homogenizácií dochádzalo ne­pretržite, Znamená to, že hneď po hnetení jedného materiálu s obsahom 20 % textí­lií sa pridal materiál s obsahom 30 % textílií a pod. Pracovná teplota materiálu sa pohy­bovala od 110 °C do 165 °C. Krútiaci mo­ment od 100 Nm-1 do 130 Nm-1.

Pri homogenizácií 50 % podielu textí­lií sme postupovali nasledovným spôso­bom. Hnetiaci stroj zn. Plastic-Corder W 350 E, Brabender (Nemecko), sa nahrial na pracovnú teplotu 150 °C, po dosiah­nutí pracovnej teploty sa pridalo naváže­né množstvo polyvinylbutyralu, prebieha­la homogenizácia za stanovenej teploty 160 °C a za čas 30 min.

Na obr. 5 vidieť, že kým pracovná teplota pri homogenizácií stúpa, krútiaci moment klesá a naopak.

Na obr. 6 je znázornený priebeh homo­genizácie na hnetiacom stroji, pre materi­ál s obsahom od 60 % do 80 % textílií. Tu je priebeh homogenizácie stanovený na čas 60 min., keďže podiel textílií je znač­ný oproti predchádzajúcim množstvám. Prvých 30 min. prebieha homogenizácia sa­motného polyvinylbutyralu, aby sa prediš­lo k vzniku vzduchových bublín a nedoko­nalému zhomogenizovaniu. Po dôkladnom premiešaní zmesí PVB sa postupne pri­dáva navážené množstvo textílií. Ďalších 30 min. prebieha homogenizácia už spolu s textíliou.

Na obr. 7 je znázornený priebeh homogeni­zácie kompozitného materiálu s obsahom textílií 70 % a 80 %. Pri takomto množstve textílií sa priebeh hnetenia dvoch zložiek spomalil, pracovná teplota bola nastave­ná na 150 °C, homogenizácia samotného PVB prebiehala počas 30 min, po ukonče­ní 30 min sa pridali textílie, teplota klesla o niekoľko stupňov, po určitej dobe opäť stúpala na hodnotu 150 °C a viac. Tak ako v predchádzajúcich prípadoch, aj počas homogenizácie takého veľkého množstva textílií pracovná teplota klesá, krútiaci mo­ment stúpa a naopak.

Na obr. 8 je znázornený prie­beh homogenizácie materiálu s obsahom 80 % textilu. Priebeh homogenizácie jed­notlivých zložiek prebiehal v časovom roz­pätí 60 min., vzhľadom na značný podiel textilu. Hraničnou hodnotou využitia od­separovanej textilnej zložky je 80 % textílií v kompozitnom materiáli.

 

Záver

Minimalizácia odpadu a využívanie dru­hotných surovín je celosvetovým trendom. Na výskum boli použité odpadové materi­ály, ktorých aplikácia za vhodných podmie­nok môže výrazne pomôcť šetriť prírod­né zdroje a tým aj životné prostredie [5]. Homogenizáciou týchto zmesí, polyvinyl­butyrálu a textílií z opotrebovaných pneu­matík, sme zistili miešateľnosť jednotlivých zložiek do konkrétneho materiálu s rôznym obsahom textilu.

Testovaním sa zistilo, že využiteľnosť tex­tilnej zložky je vysoká, až 80 %. Zmes PVB a textilu sa lisovala za predpísaných pod­mienok a vylisované dosky boli podrobe­né mechanickým a fyzikálno-chemickým analýzam.

 

Literatúra

[1] BARBIN W.W., RODGERS M.B: The science of rubber compounding. In: Science and technology of rubber , Academic Press, Boston, 1994

[2] LIPTÁKOVÁ T., ALEXY P. a kol., Polymérne technické materiály, Vysokoškolská učebnica, 2009

[3] Zloženie autoskla a miesto PVB v autoskle http://www.jeberkowitz.com/products/Details/Laminated %20Glass.aspx

[4] Zariadenie na spracovanie autoskiel, Zámer – spracovaný v zmysle zákona č. 24/2006 Z.z. o posudzovaní vplyvov na životné prostre­die a o zmene a o doplnení niektoých zákonov, Október 2007 Citované [09.12.2010] dostupné z WWW

[5] Zelená BAT technológiam Citované [09.02.2011] dostupné z WWW

[6] Zloženie autoskla a miesto PVB v autoskle, Citované [20.02.2011] dostupné na http://www.jeberkowitz.com

 

TEXT: Ing. Lucia Knapčíková, Katedra manažmentu výroby, FVT v Prešove.