Uusi kemiallinen menetelmä muuntaa käytetyn kumin korkean arvon hartseiksi

Kumi on erittäin arvokas materiaali, jolla on valtava globaali markkina. Vaikka sen käyttö ulottuu satojen vuosien taakse, se rajoittui alun perin puiden luonnonkumiin. Modernia vulkanointiprosessia, joka tekee kumista kestävää ja monikäyttöistä, ei kehitetty ennen vuotta 1839. 

Cemiasta Charles Goodyear keksi vulkanisoidun kumin, joka on luonnollista tai synteettistä kumia, jota on parannettu käsittelemällä sitä rikin, muiden kemikaalien ja lämmön avulla.

Ainutlaatuiset ominaisuudet, kuten joustavuus, joustavuus, kestävyys, vetolujuus, ikääntymiskestävyys, läpäisemättömyys, iskunvaimennus ja lämmönkestävyys, tekevät kumista niin arvokkaan auto-, rakennus-, teollisuus-, terveydenhuolto-, kuluttajatuotte- ja pakkaussektorilla.

Kuitenkin kumin jäte on merkittävä ongelma, joka myötävaikuttaa valtavaan jätökriisiin ja aiheuttaa haasteita ympäristölle, ihmisten terveydelle ja taloudelle. Jätteen määrän kasvava ongelma on seurausta urbanisaatiosta, talouskasvusta ja väestönkasvusta.

Renkaat ovat erityisesti kumin jätteen pääasiallinen lähde. Maailmanlaajuinen jäte‑renkaiden tuotanto muodostaa 2 % koko vuotuisesta kiinteästä jätteestä.

Vakava kumin jätteen ongelma 

Noin miljardi rengasta hävitetään vuosittain maailmanlaajuisesti, ja miljoonia päätyy kaatopaikoille. Yhdistyneessä kuningaskunnassa arvioidaan, että vuosittain hävitetään 37 miljoonaa auto- ja kuorma-auton rengasta. Samaan aikaan Yhdysvalloissa yli 274 miljoonaa rengasta hävitettiin vuonna 2021, joista noin 20 % heitettiin hävityspaikkoihin. 

Kyse ei ole pelkästään tilakysymyksestä. Näiden jäteaineiden kertymä aiheuttaa ympäristöhaittoja. 

Kumituotteet sisältävät erilaisia kemikaaleja, kuten antioksidantteja ja antiozonantteja, jotka voivat liueta ympäristöön ja aiheuttaa terveysriskejä. Kumin jätteiden, erityisesti renkaiden, virheellinen hävittäminen kaatopaikoilla voi johtaa jopa maaperän vesistöjen saastumiseen haitallisten aineiden ja raskasmetallien liukenemisen kautta. 

Koska ne eivät ole biohajoavia, ne pysyvät ympäristössä pitkään, aiheuttaen saastumista ja visuaalista häiriötä vuosisatojen ajan. Lisäksi kumi on erittäin helposti syttyvää, ja jäte‑renkaiden varastot voivat aiheuttaa merkittävän palovaaran vapauttaen haitallisia saasteita ilmaan. 

Vuoden 2020 UK:n hallituksen rahoittama tutkimus ehdotti, että renkaiden hiukkaset ovat merkittävä ja lisäinen mikromuovien lähde, ja ne voisivat itse asiassa olla laajasti dokumentoimaton mikromuovien lähde vesistöissä.

Tutkimus oli ensimmäinen, joka tunnisti tämän, osoittaen, että renkaiden hiukkaset voivat joko kulkeutua suoraan valtamerelle ilmakehän kautta tai kulkeutua sadeveden mukana viemäreihin ja jokiin, missä ne voivat läpäistä vesikäsittelyn.

“Tiedemiehet ovat pitkään epäilleet, että renkaiden roskat aiheuttavat piilotetun uhan merieläymistölle,” mutta vain harvat tutkimukset ovat mittaaneet niiden määrää vesistöissä, sanoi professori Richard Thompson OBE. Tutkimus tarjoaa “todellista näkemystä renkaiden kulumisen merkityksestä mikromuovien lähteenä.”

Kaikki nämä tekijät vaativat kiireellisiä toimia ja siirtymistä kohti kestäviä jätehuoltokäytäntöjä.

Tarve tehokkaille kumin jätehuoltoratkaisuille

Kumin jäte, erityisesti renkaista, on kasvava globaali ongelma tuotannon lisääntymisen ja rajoitettujen käyttöikojen vuoksi, mikä luo tarpeen tehokkaille jätehuolto- ja kierrätysratkaisuille. 

“Renkaiden hiukkaset katsotaan olevan yksi suurimmista mikromuovien saastumisen lähteistä maailmanlaajuisesti,” ja tarvitsemme “järjestelmällisempiä ratkaisuja ehkä parannetun ajoneuvon renkaiden suunnittelun kautta,” sanoo professori Richard Thompson OBE FRS, Marine Institute -direktori.

Viime vuoden tutkimus, jonka toteuttivat University of Plymouth ja Newcastle University ja rahoitti UK National Highways, osoittaa, että pitoaltaat voivat auttaa torjumaan renkaiden saastumista. Tutkimus huomautti myös, että renkaiden kulumahiukkaset ylittivät muut mikromuovimuodot ja ne poistettiin paljon suuremmissa määrissä.

Nyt on havaittu, että pitoaltaiden ja kosteikkojen läsnäolo vähentää renkaiden vapauttamien hiukkasten määrää vesistöihin keskimäärin 75 %, tarjoten näin suojelua joille ja valtamerelle.

Siksi tutkijat suosittelivat kosteikkojen ja pitoaltaiden ylläpidon asettamista tärkeäksi prioriteetiksi renkaiden hiukkasten virtauksen vähentämiseksi teiltä jokiin.

“Pitoaltaat ja kosteikot rakennetaan osana moottoritieprojekteja ensisijaisesti virtauksen hillitsemiseksi ja alavirran tulvien ehkäisemiseksi, mutta myös saasteiden poistamiseksi. Nämä olemassa olevat salausmenetelmät osassa Yhdistyneen kuningaskunnan strategista tieverkkoa voivat pysäyttää renkaiden saastumisen leviämisen.”

— Mrs Florence Parker-Jurd, Associate Research Fellow

Saadakseen tarkat luvut pitoaltaiden ja kosteikkojen sisäänvirrassa, ulosvirrassa ja sedimentissä kerättyjen renkaiden kulumahiukkasten kokonaismäärästä, tutkimus käytti Geoff Abbottin (Newcastle University) kehittämää pyrolyysi-kaasukromatografia-massaspektrometria (Py‑GC‑MS) -menetelmää. Menetelmää kehitettiin tunnistamaan renkaista peräisin olevia hiukkasia ympäristössä.

Toinen lupaava ratkaisu on kierrätys, joka voi vähentää kumin jätteiden hävittämisen ympäristövaikutuksia ja luoda uusia tuotteita kierrätetyistä materiaaleista. 

Yksi kierrätetyn kumin sovellus on rakentamisessa, jossa sitä voidaan käyttää asfaltin ja betoniseosten, päällysteen, sekä leikkikenttien pinnoitteissa. Muita sovelluksia ovat keinotekoisen nurmen täyte, urheilupinnat, lattialaatat ja akustinen eristys. Lämpöprosesseja käyttäen kumi‑jäte voidaan jopa muuntaa polttoaineeksi tai muiksi energialähteiksi. 

Pyrolyysi on suosittu prosessi, joka muuntaa kumin jätteen hyödylliseksi. Tässä kemiallisessa prosessissa kumia kierrätetään korkean lämpötilan hajotuksen kautta. Se erottaa orgaanisen aineen kovalenttiset sidokset ilman happea. 

Altistamalla kumin jätteen lämpöhajotukselle syntyy kierrätettyjä hiilenmustia nanopartikkeleita (RCBN) ja öljyä/kaasua, joita voidaan käyttää vaihtoehtoisena polttoaineena sementtihöyryttämöissä.

Pyrolyysillä jätteiden renkaista saatu kierrätetty kumin jäte voidaan myös käyttää sähköjohtavan betonin valmistukseen. Johtavaa kumin jätettä käytetään avaruus-, sotilas- ja autoteollisuudessa.

Kumin jätehuolto kohtaa kuitenkin vakavia haasteita. Ensinnäkin, maailmanlaajuisesti syntyvän kumin jätteen valtava määrä tekee sen hallinnasta ja tehokkaasta kierrätyksestä äärimmäisen vaikeaa. 

Lisäksi kumin tuotteiden moninaisuus ja niiden monimutkaiset kemialliset koostumukset vaikeuttavat kierrätystä ja uudelleenkäyttöä. Jopa laajasti käytetty prosessi (pyrolyysi) sisältää haitallisia sivutuotteita, kuten dioxineja ja bentseeniä, jotka aiheuttavat terveys- ja ympäristöriskejä.

Myös tehokkaan kumin jätteiden keräyksen, lajittelun ja kierrätyksen infrastruktuuri ja teknologia puuttuvat. Perinteiset jätehuoltomenetelmät keskittyvät kumin jätteiden keräämiseen, polttamiseen ja kaatopaikalle hävittämiseen.

Tässä kontekstissa on olennaista kehittää tehokkaita jätehuoltotekniikoita, joilla voidaan käsitellä kumin jätteen kasvavaa ongelmaa tehokkaasti.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, voiko ‘kestävyysmittari’ auttaa hillitsemään muovisaastetta.

Uusi kemiallinen prosessi kumin jätteen uudelleenkäyttöön

Uusi tutkimus, jonka rahoitti Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) ja julkaistu Nature‑lehdessä¹, on esitellyt uuden tekniikan kumin jätteen käsittelemiseksi rubber waste.

Koska puuttuu strategioita kommodiittidieenipolymeerien, kuten renkaissa esiintyvien, kemialliselle kierrätykselle, on kehitetty uusi kemiallinen menetelmä kumin jätteen hajottamiseksi. 

Tutkijaryhmä, jota johti tohtori Aleksandr Zhukhovitskiy, apulaisprofessori Kemian laitoksessa UNC‑Chapel Hillissa, sovelsi C‑H‑aminointia yhdessä polymeerirungon uudelleenjärjestelystrategian kanssa muuttaakseen hävitetyn kumin esiasteiksi epoksihartsille. 

Tämä materiaalien hajottaminen tarjoaa innovatiivisen, käytännöllisen ja kestävän vaihtoehdon perinteisille kierrätysmenetelmille. Se pyrkii myös voittamaan perinteisten kumin hajottamismenetelmien haasteet.

Kumi koostuu polymeereista, jotka on ristisidottu kolmiulotteiseksi verkostoksi. Tämä laaja ristisidonta polymeerirakenteessa tekee kumista kestävän, joustavan ja pitkäikäisen materiaalin, mutta se tekee siitä myös vastustuskykyisen hajoamiselle.

Kumin hajottamiseen on kaksi pääasiallista perinteistä tekniikkaa: de‑vulkanointi, prosessi, joka hajottaa rikki‑ristisidokset mutta heikentää polymeerin mekaanisia ominaisuuksia, ja polymeerirunkojen katkaisu katalyyttisten tai oksidatiivisten menetelmien avulla, mikä yleensä tuottaa vähäarvoisia sivutuotteita.

Kumpikaan menetelmä ei tarjoa tehokasta ja skaalautuvaa ratkaisua kumin jätteen uudelleenkäyttöön. Näiden esteiden ylittämiseksi tutkimus kehitti “menetelmän, joka hajottaa kumin toiminnallisiksi materiaaleiksi, joilla on arvoa jopa seoksena,” sanoi pääkirjoittaja tohtori Zhukhovitskiy.

Tätä varten tutkijat kehittivät rikkidiimiidi-reagenssin, joka on rikkidioksidin imini, ja mahdollistaa jopa 35 % allylisen aminoinnin dieenipolymeereille ja kumille. Kationinen 2‑aza‑Cope‑uudelleenjärjestely sovellettiin sitten polymeerien hajottamiseen.

Rikkidiimiidi-reagenssin käyttö mahdollistaa aminiryhmien sijoittamisen tiettyihin kohtiin polymeeriketjuissa ja luo pohjan seuraavalle rungon uudelleenjärjestelylle. Kemiallinen reaktio on se, joka uudelleenrakensee polymeerirungon. Tämä uudelleenjärjestely sisältää kumin hajottamisen liukoisiksi amiinifunktioiduiksi materiaaleiksi. Tämä kahden vaiheen prosessi, kuten tutkijat osoittivat, toimii erinomaisesti. 

Kun testattiin mallipolymeerissa, tutkijat pystyivät hajottamaan sen merkittävästi. Polymeerin molekyylipaino pieneni noin 400 g/mol:iin 58 100 g/mol:sta.

Soveltamalla menetelmää käytettyyn kumiin, he pystyivät hajottamaan sen kokonaan kuudessa tunnissa. Aminoidut kuluttajankäytön kumi‑materiaalit muuttuivat liukoiseksi aineeksi, jossa on aminiryhmiä, joita voidaan käyttää materiaalien, kuten epoksihartsien, valmistukseen.

Epoksihartsit tunnetaan erinomaisista liimausominaisuuksistaan. Niitä käytetään liimoissa, pinnoitteissa, tiivisteissä, sähköeristyksessä ja siviili‑rakentamisen korjauksissa. Epoksihartsit valmistetaan tyypillisesti öljypohjaisista kemikaaleista, kuten bisfenoli A:sta ja kovettimista. 

Tutkimuksen mukaan näiden liukoisten amiinifunktioitujen polymeerien avulla valmistetut epoksihartsit omaavat samanlaisen lujuuden kuin kaupalliset bisfenoli A -pohjaiset hartsit.

According to co-author Maxim Ratushnyy, a former postdoc scholar at UNC‑Chapel Hill:

“In moments like this, I come to appreciate the power of organic synthesis. It is fascinating to see the ease with which the developed sequence of simple, yet powerful, organic transformations can take on a stubborn C—C bond and convert polybutadiene and polyisoprene-based rubbers into potentially valuable epoxy resins.”

Lisäksi post‑consumer -materiaalien uusi kemiallinen kierrätys on erittäin tehokas verrattuna perinteisiin kierrätysmenetelmiin, jotka usein vaativat kalliita katalyyttejä tai äärimmäisiä lämpötiloja.

Tässä tutkimuksessa tutkijat saivat tuloksensa lievissä lämpötiloissa, 35‑50 °C (95‑122 °F) vesimediassa, mikä tekee prosessista kustannustehokkaan ja ympäristöystävällisen.

Prosessin ympäristövaikutus arvioitiin käyttämällä Environmental Impact Factor (E‑factor) -mittaria, “yksinkertaista mutta tehokasta mittaria”, joka laskee todellisen jätteen määrän mittaamalla syntynyttä jätettä suhteessa tuotteen saantoon.

Uuden prosessin vaikutusten vertaamisen lisäksi olemassa oleviin, tohtori Geoff Lewis, tutkimusasiantuntija Center for Sustainable Systems -laitoksessa Michiganin yliopistossa, selitti, että E‑factor korostaa myös “prosesseja, joita voidaan parantaa siirryttäessä tästä laboratoriosta käytäntöön.”

Prosessin kokonais‑E‑factor, joka sisältää liuottimien käytön, oli korkea. Kuitenkin sen yksinkertainen E‑factor oli paljon alhaisempi, kun liuottimet jätettiin pois. Tämä korostaa prosessin alueita, joita voidaan optimoida kestävyyden parantamiseksi.

Tiimi tutkii nyt vihreämpiä liuotinjärjestelmiä ja vaihtoehtoisia reaktio‑olosuhteita jätteen syntymisen vähentämiseksi.

Kutsuen sitä “paradigmamuutokseksi siinä, miten lähestymme kumin jätteen ongelmaa,” tutkimuksen yhteiskirjoittaja Sydney Towell, UNC‑Chapel Hill -tohtorikandidaatti, selitti:

“Hyödyntämällä C–H‑aminoinnin ja rungon uudelleenjärjestelyn voimaa, tämä menetelmä tarjoaa uuden polun post‑consumer -kumin muuntamiseksi korkean arvon materiaaleiksi, vähentäen kaatopaikkojen riippuvuutta ja minimoiden ympäristövahingot.”

Innovatiivinen yritys

Goodyear Tire & Rubber Co  

Vuonna 1898 perustettu Goodyear on merkittävä renkaiden valmistaja, joka investoi kestäviin kumin vaihtoehtoihin ja kierrätyshankkeisiin.

Tammikuussa 2022 yritys julkaisi demonstraatiorengas, joka on valmistettu kestävästä materiaalista. Rengas sisältää 13 eri ainesosaa yhdeksässä eri rengaskomponentissa ja tarjoaa vahvan kokonaisvaltaisen suorituskyvyn. 

Tämä sisältää hiilenmusteen, jota käytetään renkaiden käyttöiän pidentämiseen ja joka valmistetaan polttamalla erilaisia öljytuotteita. Kuitenkin kiertotalouden ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi neljä uutta tyyppiä on nyt otettu käyttöön, jotka tuotetaan kasvipohjaisesta öljystä, hiilidioksidista, metaanista ja elinkaaren lopun renkaiden pyrolyysistä (TPO) perusmateriaaleista.

Soijapohjainen öljy kestävän renkaan seoksessa auttaa säilyttämään kumin joustavuuden lämpötilan vaihteluissa, kun taas korkealaatuinen piidioksidi, valmistettu riisin kuorijätteestä, parantaa pitoa ja vähentää polttoaineenkulutusta. 

Renkaissa käytetty polyesteri on kierrätetty post‑consumer -pulloista, kun taas männyn puun hartsit, jotka ovat bio‑uusiutuvia, ovat korvanneet perinteiset öljypohjaiset hartsit.

Tuolloin Goodyearin renkaiden kestävän materiaalin osuus oli 70 %, jonka raportoitiin nostavan 90 %:iin vuonna 2023, lähentäen tavoitetta luoda ensimmäinen täysin kestävistä materiaaleista valmistettu rengas.

Yritys on raportoitu, että demonstraatiorengas läpäisi kaikki sovellettavat sääntely- ja sisäiset testit. Verrattuna perinteisistä materiaaleista valmistettuihin renkaisiin, demonstraatiorengas osoitti myös alhaisemman vierintävastuksen, mikä tarkoittaa parempaa polttoainesäästöä ja pienempää hiilijalanjälkeä.

Muutama kuukausi sitten yritys esitteli ElectricDrive Sustainable‑Material (EDS) -renkaan, mikä merkitsee keskeistä askelta tavoitteessa tuoda alalle ensimmäinen 100 % kestävistä materiaaleista valmistettu rengas vuoteen 2030 mennessä.

Sähköautojen (EV) kasvun ja kestävyyteen keskittymisen keskellä nämä EDS‑renkaat on suunniteltu erityisesti sähköautoja varten, tarjoten pitkän ajomatkan, alhaisemman vierintävastuksen, vähäisemmän melun sekä erinomaisen märkäjarrutuksen ja käsittelyn.

Kun tarkastellaan yrityksen taloustietoja, $2,5 miljardia markkina‑arvoinen Goodyear, jonka osakkeet tällä hetkellä käyvät hintaan $8,85, 2,33 % alhaisemmat YTD, julkaisi nettotulokseksi $76 miljoonaa tai 26 senttiä osakkeelta, verrattuna $291 miljoonan nettotappioon vuosi sitten, ja $114 miljoonaa korjattuun nettotulokseen tai 39 senttiä osakkeelta Q4 2024:lle.

Tänä ajanjaksona yrityksen myynti oli $4,9 miljardia, renkaiden yksikkömäärä yhteensä 43,6 miljoonaa. Kokonaisvuodelle myynti oli $18,9 miljardia, renkaiden yksikkömäärä yhteensä 166,6 miljoonaa.

Vuonna 2024 Goodyear raportoi nettotulokseksi $70 miljoonaa tai 24 senttiä osakkeelta, verrattuna $689 miljoonan nettotappioon vuosi sitten, ja korjattuun nettotulokseen $302 miljoonaa tai $1,05 osakkeelta.

Tämän ajanjakson operatiivisen toiminnan kassavirta oli $698 miljoonaa, alhaisempi kuin $1,032 miljardia edellisvuonna. Viime kuussa yritys sulki onnistuneesti off‑road -renkaiden liiketoiminnan myynnin Yokohama Rubber Companylle, kun taas Dunlop‑brändin myynti Sumitomo Rubber Industriesille odotetaan sulkeutuvan puolivälinä.

Keskustellessaan ensimmäisestä vuodestaan Goodyearissa, toimitusjohtaja Mark Stewart ilmaisi tyytyväisyytensä vuoden 2024 saavutuksiin, jolloin yritys ylitti odotukset, kasvatti voittoja ja solmi sopimuksia ei‑ydinomaisuuden myymiseksi.

“Jatkossa pysymme sitoutuneina saavuttamaan laajennetut Goodyear Forward -tavoitteemme, mukaan lukien marginaalin laajentaminen ja merkittävä velkojen vähentäminen.” 

– CEO Stewart

Vuodelle 2025 yritys odottaa “merkittävää velkojen vähentämistä”, marginaalin laajentamista ja salkun optimointia osakkeenomistajien arvon kasvattamiseksi. Goodyearin odotetaan tuottavan bruttotuloja yli $2 miljardia ja nettovelka‑suhdetta 2,0‑2,5× vuoden loppuun mennessä.

Uusimmat tiedot Goodyear Tire & Rubber Co

Yhteenveto

Kumin jäte, pääasiassa renkaista, muodostaa suuren haasteen, joka vaatii kiireellistä huomiotamme ja tehokkaita ratkaisuja. Nykyiset menetelmät kuten pyrolyysi, vaikka laajasti käytettyjä, tuottavat vaarallisia sivutuotteita. Perinteiset kierrätysmenetelmät kamppailevat puolestaan tehokkuuden ja skaalautuvuuden kanssa.

Kun kumin jäte on kasvava ja kriittinen ongelma, tutkijat etsivät uusia keinoja, kuten pitoaltaat mikromuovien suodatukseen ja kemialliset prosessit, jotka sisältävät C‑H‑aminoinnin ja rungon uudelleenjärjestelyn kumin hajottamiseksi, tarjoten lupaavia ja vihreämpiä ratkaisuja.

Jatkuvan tutkimuksen ja teollisuuden omaksumisen myötä nämä edistysaskeleet voivat auttaa vähentämään kumin saastumista, pienentämään kaatopaikkajätettä ja muuntamaan kumin jätteen arvokkaiksi materiaaleiksi!