Wpływ recyklingu tworzyw termoplastycznych na zmiany właściwości materiału i proces przetwarzania

Wyzwania recyklingu tworzyw termoplastycznych: zmiany właściwości materiału i wpływ na proces przetwarzania

Recykling tworzyw sztucznych staje się kluczowym elementem zrównoważonego rozwoju przemysłu, zwłaszcza w kontekście rosnącej świadomości ekologicznej oraz regulacji prawnych. Jednak nie wszystkie tworzywa termoplastyczne nadają się do recyklingu w równym stopniu, a proces ten może mieć znaczący wpływ na właściwości przetwarzanych materiałów. Dowiedz się, jakie tworzywa nadają się do recyklingu, a które z nich się nie sprawdzą oraz jak ten proces wpływa na właściwości materiału?

Jakie tworzywa termoplastyczne nadają się do recyklingu, a jakie nie?

Tworzywa termoplastyczne to szeroka grupa polimerów, które pod wpływem ciepła ulegają uplastycznieniu, co pozwala na ich wielokrotne formowanie. Do materiałów nadających się do recyklingu należą m.in. polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS) czy polichlorek winylu (PVC). Materiały te, dzięki swojej strukturze, mogą być wielokrotnie przetwarzane, jednakże każdy kolejny cykl recyklingu wiąże się z pewnym pogorszeniem ich właściwości. Niektóre tworzywa, jak polilaktyd (PLA) czy inne biopolimery, mimo że są termoplastami, są trudniejsze do recyklingu z uwagi na specyficzne właściwości chemiczne. Ponadto tworzywa termoplastyczne wzmacniane włóknami, jak choćby kompozyty, często nie nadają się do pełnego recyklingu bez utraty kluczowych cech użytkowych.

W praktyce przemysłowej często zdarza się, że tworzywa sztuczne są mieszane z innymi materiałami lub zanieczyszczone – to znacznie utrudnia recykling. Na przykład opakowania wielowarstwowe, które składają się z kilku rodzajów tworzyw, mogą być prawie niemożliwe do rozdzielenia i efektywnego przetworzenia. Ponadto zanieczyszczenia organiczne, takie jak resztki jedzenia, lub chemiczne, jak barwniki, stabilizatory czy kleje, wpływają na jakość recyklatu i mogą sprawiać, że proces jest nieopłacalny.

Wpływ recyklingu na zmianę właściwości polimeru

Recykling tworzyw termoplastycznych prowadzi do zmian ich właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych, co wynika z wielokrotnego poddawania materiałów procesom termicznym oraz mechanicznym. Podczas recyklingu łańcuchy polimerowe ulegają skracaniu, co skutkuje pogorszeniem wytrzymałości mechanicznej, elastyczności i odporności na uszkodzenia. Materiały stają się bardziej kruche, zmniejsza się ich zdolność do odkształcania i rośnie ryzyko powstawania mikropęknięć. Istnieją jednak sytuacje, w których pewne właściwości mogą zostać polepszone, na przykład przez mieszanie materiału z pierwotnym surowcem lub przez dodanie specjalnych dodatków.

Parametry, które mogą ulec pogorszeniu po recyklingu:

• Wytrzymałość mechaniczna

Jednym z najbardziej odczuwalnych skutków recyklingu polimerów jest degradacja wytrzymałości mechanicznej. Skracanie łańcuchów polimerowych w trakcie recyklingu, a także możliwe uszkodzenia struktury materiału, prowadzą do zmniejszenia wytrzymałości na rozciąganie, zginanie i ściskanie. Materiał staje się bardziej kruchy, co może ograniczać jego zastosowanie w wymagających aplikacjach, takich jak przemysł motoryzacyjny czy budownictwo.

• Elastyczność i odporność na odkształcenia

Degradacja łańcuchów polimerowych wpływa również na elastyczność materiału. Recyklaty mają tendencję do utraty zdolności do odkształcania się bez powstawania pęknięć. Zmniejszona elastyczność sprawia, że tworzywa stają się bardziej sztywne i podatne na pękanie, szczególnie pod wpływem dynamicznych obciążeń.

• Odporność na zmęczenie materiału

Recyklaty są bardziej podatne na zmęczenie materiału w porównaniu do pierwotnych tworzyw sztucznych. Powtarzające się cykle obciążenia mogą szybciej powodować pęknięcia i uszkodzenia, co wpływa na ich trwałość w długoterminowym użytkowaniu. Dotyczy to zwłaszcza materiałów, które są narażone na dynamiczne siły, jak np. części samochodowe czy elementy maszyn.

• Temperatura topnienia i odporność termiczna

W trakcie recyklingu może dojść do obniżenia temperatury topnienia materiału. Zmiany te wynikają ze skracania łańcuchów polimerowych, co powoduje, że materiał staje się mniej odporny na działanie wysokich temperatur. W konsekwencji recyklaty mogą tracić swoje właściwości w aplikacjach, gdzie stabilność termiczna jest kluczowa, np. w produktach wymagających kontaktu z wysokimi temperaturami.

• Odporność chemiczna

Degradacja struktury polimeru w wyniku recyklingu może wpływać na jego zdolność do odporności na chemikalia. Zmniejszona odporność chemiczna może prowadzić do szybszego niszczenia materiału w agresywnym środowisku, co ogranicza możliwość jego zastosowania w miejscach, gdzie jest on narażony na działanie kwasów, zasad lub rozpuszczalników.

• Stabilność wymiarowa i kurczliwość

Recyklaty mogą wykazywać większe odchylenia wymiarowe po procesie przetwarzania. Ze względu na zmiany strukturalne, materiał może mieć zmniejszoną stabilność wymiarową, co powoduje większe skurcze lub deformacje podczas chłodzenia po procesie wtrysku lub wytłaczania. Zjawisko to może prowadzić do problemów z precyzją wymiarową, co jest istotne w produkcji wyrobów o wysokich wymaganiach tolerancji.

• Kruchość

Recyklowane polimery mają tendencję do stawania się bardziej kruchymi, co jest szczególnie widoczne w materiałach takich jak polistyren (PS) czy polichlorek winylu (PVC). Kruchość oznacza zwiększoną podatność na pęknięcia i złamania pod wpływem naprężeń mechanicznych, zwłaszcza w niskich temperaturach.

• Odporność na działanie promieniowania UV

Tworzywa poddawane recyklingowi mogą mieć obniżoną odporność na działanie promieniowania ultrafioletowego (UV). Materiały pierwotne często zawierają dodatki stabilizujące, które chronią je przed degradacją spowodowaną promieniowaniem UV. W trakcie recyklingu dodatki te mogą ulegać degradacji lub nie być w pełni zachowane, co prowadzi do szybszego starzenia się materiału pod wpływem światła słonecznego.

• Właściwości optyczne

Recykling tworzyw, zwłaszcza przezroczystych jak PET, może prowadzić do pogorszenia ich właściwości optycznych. Materiał może stracić przejrzystość, stać się matowy lub nabrać żółtawego odcienia. Zanieczyszczenia w recyklatach, takie jak resztki barwników, mogą również wpływać na wygląd gotowych produktów.

• Przewodność elektryczna i izolacyjność

W niektórych przypadkach recyklaty mogą mieć zmienioną zdolność do przewodzenia lub izolowania elektryczności. Wysoka zawartość zanieczyszczeń lub dodatków, które zostały nieprawidłowo usunięte lub nieprzewidziane, może wpływać na właściwości dielektryczne tworzywa, co ogranicza ich zastosowanie w urządzeniach elektronicznych czy izolacjach przewodów.

• Rozkład ciepła w procesie przetwarzania

W trakcie recyklingu materiały mogą tracić zdolność do równomiernego rozprowadzania ciepła podczas procesu wtrysku czy wytłaczania, co skutkuje nierównym topnieniem i może prowadzić do powstawania wad na powierzchni gotowych wyrobów, takich jak smugi czy inne widoczne defekty na powierzchni.

Parametry, które mogą ulec polepszeniu po recyklingu:

• Płynność i łatwość wtrysku

Podczas recyklingu, ze względu na degradację łańcuchów polimerowych, obniża się lepkość materiału, co prowadzi do poprawy jego płynności w stanie stopionym. To może ułatwić proces wtrysku lub wytłaczania, szczególnie w przypadku skomplikowanych form, gdzie wymagane jest szybkie wypełnianie wnęk.

• Modyfikowalność 

Recyklaty mogą być łatwiej modyfikowane przez dodawanie stabilizatorów, plastyfikatorów, wypełniaczy lub innych dodatków, co pozwala na dostosowanie właściwości materiału do konkretnych wymagań. Proces ten może poprawić wybrane parametry, takie jak wytrzymałość na uderzenia, twardość czy elastyczność.

• Skrócony czas cyklu produkcyjnego

Ze względu na obniżoną lepkość materiału, recyklaty mogą przyspieszyć procesy wtrysku i wytłaczania, co prowadzi do skrócenia cyklu produkcyjnego. Jest to korzystne z punktu widzenia wydajności, zwłaszcza przy produkcji masowej.

• Obniżenie kurczliwości 

W niektórych przypadkach recyklaty wykazują niższą tendencję do kurczenia się po przetworzeniu w porównaniu do materiałów pierwotnych. Zmniejszona kurczliwość może poprawić dokładność wymiarową produktu i ograniczyć deformacje po ochłodzeniu.

• Niższy poziom naprężeń wewnętrznych

Skrócenie łańcuchów polimerowych oraz poprawa płynności materiału może zmniejszyć naprężenia wewnętrzne w gotowym produkcie, co może zapobiegać pęknięciom lub odkształceniom podczas użytkowania.

• Lepsza jednorodność stopionego materiału

Dzięki odpowiednim procesom recyklingu i modyfikacjom, recyklaty mogą osiągnąć większą jednorodność strukturalną. To oznacza, że w trakcie przetwarzania mogą charakteryzować się bardziej stabilnym przepływem i równomiernym rozkładem właściwości mechanicznych w całym wyrobie.

• Redukcja kosztów materiałowych

Chociaż to nie jest bezpośrednia właściwość fizyczna, stosowanie recyklatów może obniżyć koszty materiałowe, co pozwala na produkcję bardziej ekonomicznych wyrobów.

• Lepsze właściwości akustyczne

W niektórych przypadkach, zwłaszcza w materiałach kompozytowych, recyklaty mogą wykazywać lepsze właściwości akustyczne (np. lepszą izolację dźwiękową), co może być korzystne w zastosowaniach budowlanych czy motoryzacyjnych.

Wpływ krotności przemiału na spadek właściwości tworzywa

Każdy cykl recyklingu oznacza kolejne przemielenie materiału, co ma bezpośredni wpływ na spadek jego jakości. Za każdym razem, gdy tworzywo jest topione, a następnie formowane, dochodzi do skracania łańcuchów polimerowych, co obniża jego parametry użytkowe. Im więcej cykli recyklingu, tym większa degradacja właściwości mechanicznych i fizycznych, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, udarność czy odporność na ścieranie. Oznacza to, że nawet tworzywa termoplastyczne, które początkowo charakteryzowały się wysoką wytrzymałością, po kilku cyklach recyklingu mogą stać się nieodpowiednie do dalszego przetwarzania na wyroby techniczne. Z tego względu wiele firm ogranicza ilość materiału pochodzącego z recyklingu w produkcie finalnym, aby uniknąć znaczącego pogorszenia jego jakości.
W procesie przetwórstwa, niezwykle istotne jest monitorowanie, z której krotności przemiału pochodzi surowiec, aby kontrolować jakość wyrobów. Użycie surowca po zbyt wielu cyklach przemiału może prowadzić do pogorszenia jakości produktu końcowego. Dlatego przetwórcy powinni prowadzić ścisłą ewidencję przemiału, aby ograniczyć liczbę cykli, po których materiał trafia do dalszego użytku, oraz zapewnić stabilne właściwości w produkcji

Przykład praktyczny: wykonano wtrysk detalu który był obarczony defektem geometrycznym. Wykonano z niego przemiał, a następnie materiał zawrócono w procesie w ilości 50% materiału bazowego virgin i 50% przemiału 1-krotnego. Następnie wykryto kolejne wady powierzchniowe i wyrób powtórnie poddano recyklingowi i zawrócono w ilości 50/50. Oznacza to, że trzeci wyprodukowany wyrób zawiera: 50% materiału virgin, 25% przemiał 1-krotnego, 25% przemiału 2-krotnego. Wewnętrzna precyzyjna kodyfikacja w obrocie materiałowym jest zatem wskazana, aby nie pogubić się w próbie osiągnięcia zadowalającej jakości produktu.

Brak znajomości składu chemicznego tworzyw z recyklingu jako wyzwanie dla przetwórców

Jednym z głównych problemów, z jakim mierzą się przetwórcy zajmujący się wtryskiem lub wytłaczaniem tworzyw pochodzących z recyklingu, jest brak wiedzy na temat składu chemicznego wykorzystanego surowca. Polimery pochodzące z różnych źródeł mogą zawierać dodatki, stabilizatory czy barwniki, które mogą nie być znane przetwórcy. Brak tych informacji uniemożliwia przewidzenie, jak materiał będzie zachowywał się podczas przetwarzania, a także jakie właściwości będzie miał finalny produkt. Ta nieprzewidywalność może prowadzić do problemów technologicznych podczas formowania, takich jak trudności z osiągnięciem właściwej temperatury topnienia, zmiany lepkości stopu, czy reakcje chemiczne pomiędzy składnikami recyklatu. Finalnie, nawet jeśli tworzywo pochodzące z recyklingu spełni początkowe oczekiwania procesowe, może się okazać, że w czasie eksploatacji przez klienta końcowego wykaże gorsze właściwości użytkowe, np. szybciej się zużyje, pęknie czy ulegnie odbarwieniu.

Dlatego niezwykle istotne jest, aby przetwórcy świadomie prowadzili proces recyklingu i dozowali ilość recyklatu, opierając się na szczegółowych badaniach materiału. Przed wprowadzeniem recyklatu do produkcji należy dokładnie zbadać jego skład chemiczny i właściwości mechaniczne, co pozwoli na określenie, w jakich proporcjach można go bezpiecznie używać w mieszance z tworzywem pierwotnym. Znając docelowe zastosowanie wyrobu, można oszacować, które parametry – takie jak wytrzymałość, elastyczność, odporność na temperaturę czy starzenie – powinny zostać szczególnie dokładnie przeanalizowane. Dzięki takiemu podejściu możliwe jest lepsze dostosowanie materiału do wymagań procesu i końcowego produktu, co minimalizuje ryzyko wystąpienia problemów technologicznych i defektów jakościowych.

Rynek tworzyw sztucznych jest niezwykle obszerny i zawiera różnorodne dodatki, modyfikatory oraz surowce pochodzące z wielu źródeł. Dodatkowo, produkty z tych materiałów są wykorzystywane w szerokiej gamie zastosowań, od motoryzacji po przemysł opakowaniowy. W związku z tym nie ma uniwersalnych danych dostępnych w internecie czy podręcznikach, które mogłyby jednoznacznie wskazać, jak dany materiał z recyklingu zachowa się w konkretnych warunkach. Oczywiście istnieje wiele publikacji naukowych, które potrafią naprowadzić nas na właściwy tok myślenia, jednakże w codziennym przemyśle nie odwzorowujemy warunków laboratoryjnych. Każdy proces produkcyjny i aplikacja wyrobu wymaga przeprowadzenia indywidualnych badań, które pozwolą na dostosowanie recyklatu do specyficznych potrzeb. To kluczowy krok, aby zapewnić stabilność procesu technologicznego i jakość finalnego produktu.

Czytaj również artykuł: Przetwórstwo tworzyw sztucznych – co należy wiedzieć o samym tworzywie i polimerach?

Maszyny do recyklingu – oferta firmy Dopak

Omówione powyżej młyny do recyklingu tworzyw sztucznych odgrywają kluczową rolę w procesie odzyskiwania wartości z odpadów tworzywowych. Wybór odpowiedniego typu młyna zależy od wielu czynników, w tym od rodzaju tworzywa, wymagań dotyczących rozmiaru granulatu, a także od aspektów ekonomicznych. Odpowiednio dobrany młyn może znacząco zwiększyć efektywność procesu recyklingu, przyczyniając się do ochrony środowiska i promowania zrównoważonego rozwoju.

Linia do regranulacji firmy ALTERO RECYCLING MACHINERY

W ofercie firmy Dopak znajdują się młyny nożowe, młyny stanowiskowe, linie myjące i kruszarki do recyklingu tworzyw europejskich producentów takich jak: Neue Herbold, MO.DI.TEC, Weima oraz Vespa Granulators.

Nowością w ofercie firmy Dopak – dystrybutora maszyn do przetwórstwa tworzyw sztucznych są linie do regranulacji hiszpańskiego producenta Altero Recycling Machinery. Mają one szerokie zastosowanie w recyklingu tworzyw sztucznych, zarówno odpadów poprzemysłowych, jak i pokonsumenckich.

W przypadku dodatkowych pytań na temat młynków do recyklingu, zapraszamy z działem sprzedaży: Ilona Bazgan, mail: bazgan@dopak.pl.

Autor: mgr inż. Patryk Gratka, inżynier R&D w Dopak

Czytaj również: