Methods of recycling of pneumatic and non-pneumatic tires

Full Text

Введение Изношенные шины - источник длительного загрязнения окружающей среды. Необходимость утилизации и переработки шин [1] связана с рядом факторов: 1) шины не подвергаются биологическому разложению в естественных условиях. Примером может служить разработанный в 1972 г. проект по утилизации старых покрышек путем создания из них искусственного рифа (площадью 150 тыс. м2) у берегов Южной Флориды - Рифа Осборна (рис. 1,а). Последствия - разрушение естественной среды обитания и экосистемы в целом, разрушение естественных рифов, загрязнение береговой полосы (рис. 1,б) и т.д.; 2) скопление старых покрышек - это благоприятное место для обитания грызунов и насекомых, которые являются переносчиками инфекционных заболеваний (рис. 1,в); 3) свалки шин - это потеря полезных площадей, шины занимают большой объем ; 4) около 80% шины - не возобновляемые природные ресурсы; 5) шины обладают высокой пожароопасностью и при горении выделяют ядовитые вещества (рис. 1,г). Здесь приведены только основные причины необходимости утилизации шин. Жесткая конкурентная борьба за качество и надежность привела к тому, что состав и свойства каучуков, каркасных материалов, а также технология производства этих изделий весьма схожи у разных производителей. В результате современные шины представляют собой сложное композитное изделие из разнородных материалов, обладающее большой устойчивостью к механическим повторно-переменным нагрузкам и разрушающим факторам внешней среды. Эти свойства шин, крайне необходимые для обеспечения безопасной эксплуатации колесной техники, становятся крайне неприятными при решении проблемы их ликвидации после завершения жизненного цикла [4]. а) б) в) г) Рис. 1. Свалки шин: а - шины Рифа Осборна [1]; б - шины, выброшенные на берег ураганом [1]; в - скопление старых покрышек [2]; г - горение свалки шин [3] В странах ЕС обращение с изношенными шинами контролируется следующим образом [5]: 1) установлен запрет на захоронение целых шин; 2) утилизации подлежит до 85% общего объема вышедшего из употребления транспортного средства (ТС); 3) введен запрет на сжигание шин. Важно отметить, что утилизация во всех европейских странах платная: тот, кто сдает шины, обязан оплатить так называемый экологический взнос. В зависимости от типа шины экологический взнос может достигать 110 евро. Шина, которая поступает на утилизацию, состоит из ряда элементов. Все элементы в составе шины можно разделить на резиновые составляющие, металл, текстильные нити армирования и прочие составляющие (например, клей). Примерный, среднестатистический состав шины: сажа (30%), синтетический каучук (28%), натуральный каучук (12%), смягчающие масла (10%), сталь (10%), другие нефтехимические составляющие (5%), прочие составляющие (5%). Цель исследования Целью исследования является выявление методов утилизации и проведение сравнительного анализа способов обращения с пневматическими и непневматическими (безвоздушными) шинами, выведенными из эксплуатации. Методы утилизации На сегодняшний день можно выделить два основных пути работы с изношенными шинами: восстановление шин (наложение нового протектора) и переработка шин, не подлежащих использованию по прямому назначению. Существует два способа восстановления шин [6]: холодное восстановление и горячее восстановление. При холодном восстановлении происходит наложение тонкого слоя невулканизированной резины, а поверх него вулканизированной протекторной ленты, далее проводится вулканизация при температуре 100°С. Физические свойства каркаса остаются неизменными, возможно трехкратное восстановление. При горячем восстановлении проводится вулканизация и формирование рисунка протектора в пресс-форме при температуре более 150°С. При данном способе восстановления происходит ослабление связей между металлокордом и резиной из-за воздействия высоких температур, повреждается структура каркаса шины, восстановление возможно только один раз. Авторами статьи «Восстановленные шины в России» [7] была проведена оценка относительной стоимости одного километра пробега «новых» и «восстановленных» шин (на примере шин Marangoni), которая показала, что для восстановленных шин эта величина составила: для шин, эксплуатировавшихся на задней оси, около 70% от стоимости новых и 80% для шин, эксплуатировавшихся на передней оси. Таким образом, экономия использования восстановленных шин в приведенном примере составляет 30% и 20%, соответственно. На рис. 2 приведено потребление восстановленных шин в общем объеме покупаемых шин в ряде стран. Рис. 2. Потребление восстановленных шин в общем объеме приобретаемых шин Известны два принципиально различных вида технологических процессов переработки изношенных шин: с разрушением и без разрушения их резиновой составляющей. Методы переработки изношенных шин с разрушением резиновой составляющей основаны на процессах сжигания, термического и каталитического крекинга, пиролиза, разложения резины под действием озона, кислорода и других химических реагентов. Применение этих методов приводит к глубокой деструктуризации полимера, в большинстве случаев - к распаду молекулярной цепи. Получаемые продукты горения или разложения можно рассматривать как возможное сырье для органического и нефтехимического синтеза. Протекание таких процессов требует больших затрат энергии и наличия достаточно сложного оборудования. Поэтому для того, чтобы оправдать все затраты, ценность полученных в результате такой переработки продуктов должна быть очень высокой [2], и на сегодняшний день в основном применяются методы переработки резины, которые обеспечивают максимальное сохранение химической составляющей с целью производства резиносодержащих изделий из восстановленной резины. ООО «Н.Т.Д ТАМАННО» [8] предлагает технологию растворения автошин в органическом растворителе. Авторы проекта предлагают метод материального рециклинга, в результате которого образуется бензиновая фракция (используется на предприятиях нефтехимии, а также НПЗ при производстве высокооктанового экологически чистого бензина), мазут (по своим показателям соответствует ГОСТ 1058-99 (М-40)) и технический углерод (направляется на облагораживание, в результате чего получаются углерод-углеродные материалы или электропроводный техуглерод) [8]. Созданная технологическая линия растворения автопокрышек и облагораживания техуглерода является поточной, то есть непосредственно весь технологический процесс не будет иметь контакта с атмосферой вплоть до вывода готовых продуктов в накопители (резервуары, склады хранения продукции) и перегрузки для дальнейшей транспортировки к потребителю. Растворитель циркулирует в замкнутой системе и не имеет контактов с атмосферой. Для нагрева растворителя применяется трубчатая печь с огневым нагревом. Печь типичная для установок нефти и газопереработки. Нагрев электроэнергией нерентабелен. Дымовые газы образуются при сгорании топлива в печи. В качестве топлива используется углеводородный газ (газ, получаемый в процессе переработки автошин, природный газ) [8]. Ряд авторов [9] предлагают технологии, при которых составляющие извлекаются из покрышки без нарушения физико-химических свойств, чтобы была возможность их повторного использования, например, при производстве новых автомобильных покрышек. Бортовые кольца редко получают повреждения ввиду своей прочности и вполне пригодны для повторного использования. Усилитель борта также является достаточно прочным элементом, число поврежденных в ходе эксплуатации нитей невелико, и их также можно использовать повторно. Брекер подвергается деформации при движении - механические повреждения брекера в процессе его эксплуатации часто приводят к нецелесообразности его повторного использования. К тому же извлечение нитей брекера (доли миллиметра) - достаточно сложная техническая задача. Однако, извлеченный брекер даже в виде пучка стальных нитей нашел применение, например, в строительстве - при производстве фибробетонов. Сталь, используемая в покрышках, имеет высокое качество, поэтому актуальность вторичного использования стальных элементов не вызывает сомнений. Таким образом, на первом этапе из покрышки удаляют бортовые кольца, затем брекера, а затем отделяется беговая дорожка (протектор). Удаление нейлоновых нитей бандажа возможно как в целом, так и измельченном виде [9]. Ряд компаний-производителей [3] предлагают технологическую схему и оборудование для переработки шин в крошку. Резиновая крошка используется во многих областях (рис. 4). Из нее изготавливают новые автомобильные покрышки, РТИ для автомобилей, техпластины, водоотталкивающие покрытия для крыш, ж/д шпалы и подрельсовые прокладки, напольные коврики и подошвы для обуви, колеса для инвалидных колясок и коек. Также этот материал используют для покрытия дорог, футбольных полей, теннисных кортов и детских площадок. Из резиновой крошки изготавливают плитки и добавляют ее в бетон для строительства [3]. Преимущества применения резиновой крошки: · долговечность: срок службы, изготовленного по всем правилам продукта, может варьироваться от 20 до 40 лет, и основные показатели, которыми обладает резиновая крошка, во многом превосходят аналогичные показатели керамической плитки, асфальта, бетона, песчаной брусчатки, линолеума и других; резиновые покрытия могут поглощать уровень шума до 28 дб; · резиновое покрытие является отличным амортизирующим материалом, а также отличным противоскользящим средством; · не задерживает на себе снег, наледь и другие осадки; · высокий уровень износоустойчивости позволяет резиновым покрытиям препятствовать вредным воздействиям окружающей среды [10]. В 2004 г. компания Michelin продемонстрировала шины без воздуха с упругими деформируемыми спицами из полиуретана Tweel (рис. 3,а) [11]. Конструктивно Tweel - система цельных внутренних ступиц, прикрепленных к полуоси. Вокруг них расположены полиуретановые спицы, соединенные в определенной последовательности. Через спицы проходит растяжной хомут, формируя внешний край шины [12]. Компания Bridgestone представила конструкцию непневматической шины AirFree - колесо состоит из металлического диска и шины, которая представляет собой два кольца, соединенные упругими элементами (рис. 3,б) [12]. Материалы, применяемые в этих шинах, подлежат утилизации и повторной переработке. За счет этого достигается дополнительная экономия на ресурсах (и снижение стоимости для покупателей). Компания Polaris продемонстрировала свое видение безвоздушных шин, заменив систему спиц на систему сот (рис. 3,в). Компания Hankook (рис. 3,г) создала шину, в которой собственно шина и обод - одно целое [12-15]. Таким образом, непневматические шины - «спицевые» или «сотовые» - конструктивно функционируют как единое целое. Среди преимуществ I-Flex корейцы называют упрощенную утилизацию, благодаря особому материалу, из которого они изготовлены (синтетический полиуретан). 95% I-Flex - это переработанные материалы. а) б) в) г) Рис. 3. Непневматические (безвоздушные) шины: а - шины Michelin Tweel [11]; б - шины Bridgestone AirFree [13]; в - шины Polaris [12]; г - шины Hankook iFlex [15] Методы вторичной переработки продуктов из полиуретана [16] включают процессы регенерации энергии, такие как сжигание и использование выделяемого тепла для производства электроэнергии. Другой способ заключается в механической переработке, включая измельчение и повторное использование отходов полиуретана в качестве наполнителя формованной продукции. Третий способ представляет собой химическое разделение полиуретана на его мономерные составляющие с последующим повторным использованием мономеров для производства новой полиуретановой продукции [15]. Одним из возможных экологически безопасных и относительно дешевых способов утилизации полимерных материалов может стать биодеструкция - процесс, связанный с выработкой микроорганизмами ферментов, резко ускоряющих деструкцию макромолекул [17]. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов образуются вещества, повышающие деструктивную активность среды. Биодеструкция может быть рассмотрена как самостоятельный вид разрушения поверхности материалов [18, 19]. В ряде работ [19, 20] рассмотрено деструктивное влияние (химическое и механическое) некоторых видов микромицетов на полимерные материалы. Степень микробиологической стойкости полимеров зависит от химической природы макромолекул самого полимера, его надмолекулярная структура и строение, физическая структура материала. Биологическая стойкость полимерных материалов также зависит от добавок и примесей, которые всегда присутствуют в полимерах (наполнители, модификаторы, стабилизаторы, пластификаторы, противостарители и др.). Выводы Таким образом, проведенный анализ показывает, что на сегодняшний день возможны следующие варианты переработки вышедших из употребления шин, классификация которых представлена на рис. 4. Рис. 4. Классификация способов утилизации шин Из предоставленных данных можно также сделать вывод, что утилизация непневматических шин значительно упрощается по сравнению с переработкой пневматических шин за счет изменения конструкции колеса (нет необходимости дополнительного извлечения металлических и других составляющих), а также материала покрышки.

About the authors

Z. A. Kostrova

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: zzz2015@yandex.ru

A. V. Mikheev

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: zzz2015@yandex.ru

Z. V. Zezyulin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: zzz2015@yandex.ru
Ph.D.

V. S. Makarov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: zzz2015@yandex.ru
Ph.D.

V. V. Belyakov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: zzz2015@yandex.ru
Dr.Eng.

M. E. Bushueva

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: zzz2015@yandex.ru
Ph.D.

I. V. Struchkova

Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod

Email: zzz2015@yandex.ru
Ph.D.

References

Supplementary files