Sposób wytwarzania rury z tworzywa biodegradowalnego
ZESPÓŁ AUTORSKI
Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników
- dr hab. Rafał Malinowski - kierownik zespołu
- mgr inż. Mariusz Błaszkowski
- dr hab. inż. Bogusław Królikowski
- dr inż. Zbigniew Frąszczak
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Wynalazek został opracowany w kontekście ochrony środowiska naturalnego. Dotyczy on rur wytwarzanych z tworzywa biodegradowalnego, mających stosunkowo krótki czas użytkowania. Biorąc pod uwagę pomysł opracowania tego typu rur od razu nasuwają się pytania czy mają one szansę praktycznego zastosowania i dlaczego właściwie jest potrzeba wytwarzania takich rur? Wszystkim przecież rura kojarzy się z takimi faktami jak: możliwie najdłuższy czas użytkowania, nie uleganie degradacji oraz spełnianie swoich funkcji bez utraty właściwości. Odnosi się to przede wszystkim do powszechnie znanych rur wodno-kanalizacyjnych, gazowniczych, irygacyjnych, a także tych stosowanych w instalacjach grzewczych lub elektrycznych. Muszą one być szczelne, nie korodować oraz być odporne na czynniki chemiczne i atmosferyczne. Na pierwszy „rzut oka” dziwić więc może podejmowanie jakichkolwiek prób wytwarzania rur z tworzyw biodegradowalnych, a więc takich, które będą charakteryzować się przyśpieszonym rozkładem w środowisku naturalnym.
Są jednakże takie obszary zastosowań, w których rury, a zwłaszcza te wielkogabarytowe, są stosowane w stosunkowo krótkim czasie np. do jednego roku oraz nie muszą spełniać niektórych wymogów stawianych konwencjonalnym rurom, o których pisano wcześniej. Takim obszarem jest np. górnictwo, w którym przedstawione w wynalazku rury mogą znaleźć szersze zastosowanie. Jest to gałąź przemysłu, gdzie w niektórych jego specjalistycznych obszarach stosuje się rury o długości kilku metrów i średnicy od kilku do kilkunastu centymetrów, mające określony, zwykle krótki (około 1 roku) czas użytkowania. Tego typu rury wprowadzane do różnego rodzaju odwiertów górniczych stabilizują te odwierty umożliwiając w ten sposób umieszczanie w nich ładunków wybuchowych. Niektóre z nich są wyjmowane i, jeżeli się nadają, to ponownie są używane w kolejnych odwiertach, a niektóre na stałe pozostają w nich razem z ładunkiem wybuchowym. Te, które po wyjęciu nie spełniają określonych wymogów użytkowych, np. wykazują uszkodzenia mechaniczne, zwykle poddawane są recyklingowi. Z kolei te, które nie zostały wyjęte z odwiertów i uległy zniszczeniu w wyniku detonacji znajdujących się w nich ładunków pozostają trwale w środowisku naturalnym w postaci małych fragmentów lub drobnych cząstek. W sytuacji stosowania rur wytwarzanych z poli(chlorku winylu) lub poliolefin (polietylenu lub polipropylenu) powoduje to zanieczyszczenie środowiska naturalnego fragmentami tworzyw nieulegających rozkładowi i zalegającymi w tym środowisku nawet setki lat.
Dzięki wynalazkowi można zminimalizować lub ograniczyć to niekorzystne zjawisko zastępując obecnie stosowane rury wytwarzane z konwencjonalnych, niebiodegradowalnych tworzyw polimerowych ich biodegradowalnymi odpowiednikami. Umożliwia to uzyskanie dwóch podstawowych efektów. Po pierwsze, rury z tworzywa biodegradowalnego, wyjmowane z odwiertów, nie muszą być poddawane klasycznemu procesowi recyklingu, a po wstępnym rozdrobnieniu od razu mogą być poddane kompostowaniu przemysłowemu, w którym będą zachodzić procesy ich degradacji hydrolitycznej, a następnie degradacji biotycznej. Dzięki temu nie ma potrzeby wnoszenia dużych nakładów energetycznych, finansowych i czasowych w proces oczyszczania rur, ich mielenia i suszenia, a także w dalsze etapy recyklingu związane z wytłaczaniem, chłodzeniem i granulacją. Po drugie fragmenty rur z tworzywa biodegradowalnego pozostające w środowisku po przeprowadzonych detonacjach powinny znacznie szybciej ulegać w nim rozkładowi biologicznemu w porównaniu do ich niebiodegradowalnych odpowiedników. Chociaż rozkład ten nie będzie zapewne tak szybki jak w kompoście to i tak powinien być wielokrotnie szybszy niż ten dotyczący rozkładu tworzyw konwencjonalnych. Tym samym rury z tworzywa biodegradowalnego powinny być bardziej przyjazne środowisku naturalnemu. Co istotne, opracowane rury nie zmieniają swoich właściwości użytkowych jeżeli nie działają na nie czynniki środowiskowe, a głównie mikroorganizmy. Dlatego poza środowiskiem naturalnym mogą być przechowywane (magazynowane) przez wiele lat. Przedstawiony wynalazek stanowi zatem oryginalne i nowe podejście całkowicie inne niż to dotyczące klasycznych rur, które powinny być odporne na czynniki środowiskowe i spełniać swoje funkcje użytkowe w jak najdłuższym czasie.
ISTOTA WYNALAZKU
Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania rur z tworzywa biodegradowalnego, które po krótkoterminowym czasie użytkowaniu, np. 1 roku, będą ulegać biodegradacji głównie w warunkach kompostowania przemysłowego. Stwierdzenie to dotyczy rur mających zastosowanie specjalistyczne, np. takich, które wykorzystywane są podczas wykonywania odwiertów górniczych. Wytwarzanie rur opracowanych według wynalazku umożliwi zastąpienie obecnie stosowanych rur, które produkowane są z tworzyw nieulegających biodegradacji, i których fragmenty poużytkowe mogą zalegać w środowisku nawet setki lat lub które muszą być poddawane recyklingowi. Zastąpienie konwencjonalnych rur ich biodegradowalnymi odpowiednikami powinno przyczynić się do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego, a w konsekwencji tego do wzrostu poziomu jakości życia.
Rurę według wynalazku wytwarza się w stosunkowo nieskomplikowanym procesie wytłaczania jednoślimakowego. W procesie tym stosuje się standardowe maszyny, urządzenia i narzędzia do przetwórstwa, a przede wszystkim wytłaczarkę, głowicę wytłaczarską, kalibrator, system wanien chłodzących, odciąg i przecinarkę. Głównym surowcem do wytwarzania rur jest polilaktyd pozyskiwany z surowców odnawialnych takich jak np. skrobia kukurydziana. Jako składniki dodatkowe stosuje się również modyfikatory udarności oparte na biodegradowalnym kopoliestrze alifatyczno-aromatycznym lub innym modyfikatorze opartym na osnowie polimeru biodegradowalnego, a także barwniki. Zastosowanie modyfikatorów udarności jest konieczne z uwagi na zwiększenie wytrzymałości rur na ich dynamiczne uderzenie, co ma miejsce podczas wprowadzania ich od odwiertów górniczych. Co więcej, nie mogą one ulec uszkodzeniom podczas ich odkształceń spowodowanych ewentualnym przemieszczaniem się warstw ziemi, co może wystąpić podczas wielomiesięcznego przebywania tych rur w odwiertach. Zatem opracowane rury muszą wykazywać korzystne właściwości mechaniczne podczas ich stosowania. Według wynalazku mieszaninę składników w odpowiednich proporcjach wprowadza się do wytłaczarki ślimakowej, w której układzie uplastyczniającym wszystkie składniki poddaje się uplastycznieniu i ujednorodnieniu z wykorzystaniem ślimaka o średnicy (D) od 25 do 100 mm i stosunku długości (L) do średnicy (D) (L/D) od 30 do 40. Następnie tak ujednorodnioną i uplastycznioną mieszaninę przetłacza się do głowicy wytaczarskiej formującej kształt rury o średnicy (s) zewnętrznej od 10 do 100 mm i grubości ścianki do kilku mm, intensywnie chłodzi się w jednej lub dwóch wannach próżniowych o długości co najmniej 120 (D), a następnie tnie się na odcinki o zadanej długości.
Opracowane według wynalazku rury charakteryzują się wyjątkowo dużą podatnością na rozkład w warunkach kompostowania przemysłowego. Nieoczekiwanie okazało się, że rozkład rur o nawet najgrubszych ściankach następuje już w pierwszym miesiącu kompostowania. Już po czasie jednego miesiąca stają się one bardzo kruche, do tego stopnia, że samoczynnie rozpadają się w dłoniach. Szczególnie istotnym efektem jaki zaobserwowano po badaniach biodegradacji w kompoście był większy stopień dezintegracji tych rur, które zawierały większą ilość modyfikatora udarności. Stwierdzono zatem, że zastosowany modyfikator ma podwójne znaczenie. Po pierwsze korzystnie wpływa na właściwości mechaniczne rur, a głównie ogranicza ich kruchość, a po drugie przyśpiesza proces ich biodegradacji.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Opracowane rury stanowią rozwiązanie, na które zapotrzebowanie może zwiększać się z roku na rok, chociażby ze względu na coraz to nowsze regulacje prawne związane z ochroną środowiska naturalnego i poszukiwaniem alternatywnych materiałów przyjaznych dla środowiska naturalnego. Stanowią one nowość na rynku, która może spotkać się z dużym zainteresowaniem, a szczególnie wszędzie tam, gdzie wymagane będzie stosowanie rur o krótkim czasie użytkowania oraz przyjaznych dla środowiska naturalnego. Jak dotąd wytworzono według wynalazku w skali przemysłowej partię demonstracyjną 2-metrowych rur (ok. 300 sztuk) weryfikującą proces technologiczny ich wytwarzania oraz ich funkcjonalność. Z wynalazku mogą korzystać różne podmioty, a przede wszystkim firmy działające na rynku wydobycia surowców energetycznych lub mineralnych. Perspektywy wdrożenia są obiecujące, a jego formą mogą być: udzielenie licencji, sprzedaż patentu lub umowa wdrożeniowa.