Ny kemisk metod omvandlar begagnad gummi till högvärdiga hartser

Gummi är ett mycket värdefullt material med en enorm global marknad. Även om dess användning sträcker sig hundratals år tillbaka, var den främst begränsad till naturlig gummi från träd. Den moderna vulkaniseringsprocessen, som gör gummi hållbart och mångsidigt, utvecklades först 1839. 

Chemisten Charles Goodyear uppfann vulkaniserad gummi, som är naturlig eller syntetisk gummi förbättrad genom behandling med svavel, bland andra kemikalier, och värme.

Unika egenskaper som elasticitet, flexibilitet, hållfasthet, draghållfasthet, motstånd mot åldrande, ogenomtränglighet, stötdämpning och värmebeständighet är det som gör gummi så värdefullt inom fordonsindustrin, byggsektorn, industri, sjukvård, konsumentvaror och förpackning.

Dock är gummispill ett stort problem som bidrar till den enorma avfallskrisen, vilket innebär utmaningar för miljön, människors hälsa och ekonomin. Den ökande avfallsproduktionen är ett resultat av urbanisering, ekonomisk utveckling och befolkningsökning.

Däck, i synnerhet, är den främsta bidragsgivaren till gummispill. Den totala globala produktionen av avfallsdäck utgör 2 % av det totala årliga fasta avfallet.

Det allvarliga gummispillsproblemet 

Ungefär en miljard däck kastas varje år världen över, och miljontals hamnar på soptippar. Enbart i Storbritannien uppskattas 37 miljoner bil- och lastbilsdäck kasseras årligen. Samtidigt kastades mer än 274 miljoner däck i USA år 2021, varav cirka 20 % slängdes på avfallsplatser. 

Det handlar dock inte bara om utrymmesproblem. Ackumuleringen av dessa avfallsmaterial introducerar miljörisker. 

Gummiprodukter innehåller olika kemikalier, inklusive antioxidanter och antiozonanter, som kan läcka ut i miljön och utgöra hälsorisker. Felaktig hantering av gummispill, särskilt däck, på soptippar kan till och med leda till grundvattenskontaminering från läckage av skadliga ämnen och tungmetaller. 

Att de är icke‑biologiskt nedbrytbara innebär att de kvarstår i miljön under långa perioder, vilket bidrar till förorening och visuellt förfall i århundraden. Dessutom är gummi mycket brandfarligt, och ansamlingar av avfallsdäck kan utgöra en betydande brandrisk, vilket släpper ut skadliga föroreningar i luften. 

En studie från 2020 UK:s regeringsfinansierade forskningsstudie föreslog att däckpartiklar är en stor och ytterligare källa till mikroplaster och faktiskt kan vara en i stor utsträckning odokumenterad källa till mikroplaster i vattenkroppar.

Studien var den första som identifierade detta och visade att däckpartiklar kan transporteras direkt till havet via atmosfären eller föras in i avloppssystem och floder av regnvatten, där de kan passera vattenreningsprocessen.

“Forskare har länge misstänkt att däckrester utgör ett dolt hot mot den marina miljön,” men få studier har mätt deras förekomst i vattenmiljöer, sade professor Richard Thompson OBE. Studien ger “verklig insikt i vikten av däckslitage som källa till mikroplaster.”

Alla dessa faktorer kräver omedelbara åtgärder och ett skifte mot hållbara avfallshanteringsmetoder.

Behov av effektiva lösningar för gummispillshantering

Gummispill, särskilt från däck, är ett växande problem globalt på grund av ökad produktion och begränsad livslängd, vilket skapar ett behov av effektiva avfallshanterings- och återvinningslösningar. 

“Däckpartiklar anses vara bland de största källorna till mikroplastföroreningar världen över,” och vi behöver “mer systematiska lösningar kanske via förbättrad däckdesign,” säger professor Richard Thompson OBE FRS, chef för Marine Institute.

Forskning från förra året, utförd av University of Plymouth och Newcastle University och finansierad av UK National Highways, visar att retentionsdammar kan hjälpa till att bekämpa däckföroreningar. Studien noterade också att däckslitagepartiklar översteg andra former av mikroplaster och togs bort i betydligt större mängder.

Nu har närvaron av retentionsdammar och våtmarker visat sig minska mängden partiklar som släpps från däck i vattendragen med i genomsnitt 75 %, vilket i sin tur ger skydd för floder och havet.

Därför rekommenderade forskarna att underhållet av våtmarker och retentionsdammar görs till en hög prioritet för att minska flödet av däckpartiklar från vägar till floder.

“Retentionsdammar och våtmarker byggs som en del av motorvägsprojekt främst för att dämpa flödet och förhindra översvämning nedströms, men också för att avlägsna föroreningar. Dessa befintliga dräneringsåtgärder längs delar av Storbritanniens strategiska vägnät har potential att stoppa spridningen av däckföroreningar.”

— Mrs Florence Parker-Jurd, Associerad forskningsassistent

För att få konkreta siffror på den totala mängden däckslitagepartiklar som samlats in i inflöde, utflöde och sediment i våtmarker och retentionsdammar använde studien pyrolys-gas kromatografi-masspektrometri (Py‑GC‑MS)-metoden utvecklad av Geoff Abbott från Newcastle University. Metoden utvecklades för att identifiera partiklar härledda från däck i miljön.

En annan lovande lösning är återvinning, som kan minska den miljömässiga påverkan av gummispillshantering och skapa nya produkter från återvunnet material. 

En tillämpning av återvunnen gummi är inom byggnation, där den kan användas i asfalt- och betongblandningar, gatstenar och lekplattytor. Andra tillämpningar inkluderar fyllning för konstgräs, sportytor, golvplattor och akustisk isolering. Med hjälp av termiska processer kan avfalls-gummi även omvandlas till bränsle eller andra energikällor. 

Pyrolys är en populär process som omvandlar gummispill till något användbart. I denna kemiska process återvinns gummi genom högtemperaturdekomposition. Den separerar kovalenta bindningar i organiskt material i frånvaro av syre. 

Genom att utsätta gummispill för termisk dekomposition produceras återvunna kolsvarta nanopartiklar (RCBN) och olja/gas, vilka kan användas som alternativ bränsle i cementugnar.

Återvunnet gummispill som erhållits genom pyrolys från avfallsdäck kan också användas för att producera elektriskt ledande betong. Ledande gummispill används inom flyg-, militär- och bilindustrin.

Gummispillshantering står dock inför allvarliga utmaningar. För det första gör den enorma volymen av gummispill som genereras globalt det extremt svårt att hantera och återvinna effektivt. 

Sedan finns variationen av gummiprodukter och deras komplexa kemiska sammansättningar som gör återvinning och återanvändning svår. Även den ofta använda processen (pyrolys) har sina nackdelar — den genererar skadliga biprodukter som dioxiner och bensen som utgör hälso- och miljörisker.

Det finns också en brist på infrastruktur och teknik för effektiv insamling, sortering och återvinning av gummispill. Traditionella avfallshanteringsmetoder fokuserar på att samla in, bränna och deponera gummispill på soptippar.

Mot denna bakgrund är det avgörande att vi utvecklar effektiva avfallshanteringstekniker för att på ett effektivt sätt tackla det växande problemet med gummispill.

Klicka här för att lära dig om ett ‘Hållbarhetsmått’ kan hjälpa till att minska plastföroreningar.

En ny kemisk process för att återanvända gummispill

En ny studie, finansierad av USA:s energidepartement (DOE) och publicerad i Nature ¹, har introducerat en ny teknik för att tackla gummispill.

På grund av bristen på strategier för kemisk återvinning av kommersiella dienepolymerer, som de som finns i däck, har en ny kemisk metod utvecklats för att bryta ner gummispill. 

Ett forskarteam lett av Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy, assisterande professor vid kemiska institutionen på UNC‑Chapel Hill, använde C‑H‑aminering tillsammans med en strategi för omarrangemang av polymerryggraden för att omvandla det kasserade gummit till föregångare för epoxihartser. 

Denna dekonstruering av material erbjuder ett innovativt, praktiskt och hållbart alternativ till traditionella återvinningsmetoder. Den syftar också till att övervinna utmaningar i traditionella tillvägagångssätt för att bryta ner gummi.

Gummi består av polymerer som är tvärbundna till ett tredimensionellt nätverk. Den omfattande tvärbindningen i polymerstrukturen gör gummi till ett tåligt, flexibelt och hållbart material, men detta gör också att det är motståndskraftigt mot nedbrytning.

Det finns två huvudsakliga konventionella tekniker för att bryta ner gummi: de‑vulkanisering, en process som bryter ner svavel‑tvärbindningar men eroderar polymerens mekaniska egenskaper, och klyvning av polymerryggraden med katalytiska eller oxidativa metoder, vilket tenderar att resultera i lågvärdiga biprodukter.

Ingen av metoderna ger en effektiv och skalbar lösning för att återanvända gummispill. För att övervinna dessa hinder utvecklade forskningen “en metod som bryter ner gummi till funktionella material som har värde även som en blandning,” sade seniorförfattare Dr. Zhukhovitskiy.

För detta utvecklade forskarna ett svavel‑diimidreagens, som är en imin av svaveldioxid, vilket möjliggör upp till 35 % allyl‑aminering av dienepolymerer och gummi. Den katjoniska 2‑aza‑Cope‑omarrangemanget tillämpades sedan för att dekonstruera polymererna.

Införandet av svavel‑diimidreagenset möjliggör placeringen av amin‑grupper på specifika platser i polymerkedjorna och förbereder för den efterföljande ryggledningsomarrangemanget. Den kemiska reaktionen är det som omstrukturerar polymerryggraden. Denna omorganisation innebär dekonstruering av gummi till lösliga amin‑funktionaliserade material. Denna tvåstegsprocess, enligt forskarna, fungerar utmärkt. 

När den testades i en modellpolymer kunde forskarna bryta ner den avsevärt. Polymerens molekylvikt minskades till cirka 400 g/mol från 58 100 g/mol.

När de tillämpade sin metod på använt gummi kunde de bryta ner det helt på bara sex timmar. Det aminiserade efter‑konsumentgummit omvandlades till ett lösligt material med amin‑grupper som kan användas för att producera material som epoxihartser.

Epoxihartser är kända för sina utmärkta bindningsegenskaper. De används i lim, beläggningar, tätningsmedel, elektrisk isolering och reparationer inom civilingenjörskonst. Epoxihartser tillverkas vanligtvis av petroleumbaserade kemikalier som bisfenol‑A och härdare. 

Enligt forskningen har de epoxytrossar som framställts med de resulterande lösliga amin‑funktionaliserade polymererna liknande styrka som kommersiella bisfenol‑A‑baserade hartser.

Enligt medförfattare Maxim Ratushnyy, en tidigare postdoktorand vid UNC‑Chapel Hill:

“I sådana här ögonblick kommer jag att uppskatta kraften i organisk syntes. Det är fascinerande att se hur lätt den utvecklade sekvensen av enkla, men kraftfulla, organiska transformationer kan ta sig an en envis C—C‑bindning och omvandla polybutadien‑ och polyisopren‑baserade gummier till potentiellt värdefulla epoxihartser.”

Dessutom är den nya kemiska återvinningen av efter‑konsumentmaterial mycket effektiv jämfört med konventionella återvinningsmetoder, som ofta kräver dyra katalysatorer eller extrema temperaturer.

I denna studie fick forskarna sina resultat vid milda temperaturer, 35‑50 °C (95‑122 °F) i vattenbaserade medier, vilket gör processen kostnadseffektiv och miljövänlig.

Processens miljöpåverkan utvärderades med hjälp av Environmental Impact Factor (E‑factor), “en enkel men kraftfull metrisk,” som beräknar den faktiska mängden avfall genom att mäta avfall genererat i förhållande till produktens avkastning.

Förutom att jämföra påverkan av en ny process med de befintliga, förklarade Dr. Geoff Lewis, forskningsspecialist vid Center for Sustainable Systems vid University of Michigan, att E‑factor också belyser “processsteg som kan förbättras när vi arbetar för att föra över processen från laboratoriet till praktisk tillämpning.”

Processens kompletta E‑factor, som inkluderar lösningsmedelsanvändning, var hög. Däremot var dess enkla E‑factor mycket lägre, exklusive lösningsmedel. Detta belyser de delar av processen som kan optimeras för hållbarhet.

Så utforskar teamet nu grönare lösningsmedelssystem och alternativa reaktionsförhållanden för att minska avfallsproduktionen.

Genom att kalla det “ett paradigmskifte i hur vi närmar oss problemet med gummispill,” förklarade studiens medförfattare Sydney Towell, som är doktorand vid UNC‑Chapel Hill:

“Genom att utnyttja kraften i C–H‑aminering och ryggledningsomarrangemang ger denna metod en ny väg för att omvandla efter‑konsumentgummi till högvärdiga material, minska beroendet av deponier och minimera miljöskador.”

Innovativt företag

Goodyear Tire & Rubber Co  

Grundat 1898 är Goodyear en stor däckproducent som investerar i hållbara gummialternativ och återvinningsinitiativ.

I januari 2022 lanserade företaget ett demonstrationsdäck tillverkat av hållbart material. Däcket innehåller 13 utvalda ingredienser över nio olika däckkomponenter och levererar stark prestanda totalt sett. 

Det inkluderar kolsvart, som används för att förlänga däckets livslängd och framställs genom förbränning av olika petroleumprodukter. För att minska cirkularitet och koldioxidutsläpp inkluderas nu fyra avfalls­typer, framställda från växtbaserad olja, koldioxid, metan och slut‑liv‑däck‑pyrolysolja (TPO) som råmaterial. 

Sojabönsolja i det hållbara däcket hjälper till att bevara flexibiliteten i dess gummiblandning vid förändrade temperaturer, medan högkvalitativ silika, tillverkad av ris‑skalsavfallsrester, förbättrar greppet och minskar bränsleförbrukningen. 

Polyester som används i däcken återvinns från efter‑konsumentflaskor, medan tall‑resin, som är bio‑förnybar, har ersatt traditionella petroleumbaserade resin.

Vid den tidpunkten var andelen hållbart material i Goodyears däck 70 %, vilket rapporterades ha ökat till 90 % år 2023, vilket för dem närmare målet att skapa det första däcket som är helt gjort av hållbara material.

Företaget har rapporterat att demonstrationsdäcket klarade alla tillämpliga regulatoriska och interna tester. Jämfört med däck tillverkade med traditionella material visade sig demonstrationsdäcket också ha lägre rullmotstånd, vilket innebär bättre bränslebesparing och minskad koldioxidavtryck.

För några månader sedan presenterade företaget ett ElectricDrive Sustainable‑Material (EDS)‑däck, vilket markerar ett avgörande steg i deras mål att introducera branschens första 100 % hållbara materialdäck år 2030.

Mitt i elfordonsboomet (EV) och fokus på hållbarhet är dessa EDS‑däck konstruerade specifikt för elbilar, vilket ger lång räckvidd, lägre rullmotstånd, minskat buller samt överlägsen våt bromsning och hantering.

När det gäller företagets ekonomi har Goodyear med ett börsvärde på 2,5 miljarder dollar, vars aktier för närvarande handlas till 8,85 $ och är ned 2,33 % år‑till‑datum, annonserat en nettoinkomst på 76 miljoner dollar eller 26 cent per aktie, jämfört med en nettoförlust på 291 miljoner dollar för ett år sedan, samt 114 miljoner dollar i justerad nettoinkomst eller 39 cent per aktie för Q4 2024.

Under denna period uppgick företagets försäljning till 4,9 miljarder dollar, med däckvolymer på totalt 43,6 miljoner. För hela året var försäljningen 18,9 miljarder dollar, med däckvolymer på totalt 166,6 miljoner.

År 2024 rapporterade Goodyear en nettoinkomst på 70 miljoner dollar eller 24 cent per aktie, jämfört med en nettoförlust på 689 miljoner dollar för ett år sedan, samt en justerad nettoinkomst på 302 miljoner dollar eller 1,05 $ per aktie.

Kassaflöden från den löpande verksamheten under denna period var 698 miljoner dollar, ned från 1,032 miljarder dollar föregående år. Förra månaden avslutade företaget framgångsrikt försäljningen av sin off‑the‑road‑däckverksamhet till The Yokohama Rubber Company, medan försäljningen av Dunlop‑varumärket till Sumitomo Rubber Industries förväntas slutföras i mitten av året.

När han talade om sitt första år på Goodyear delade VD Mark Stewart sin tillfredsställelse med de framsteg som gjorts 2024, under vilket företaget överträffade förväntningarna, ökade vinsterna och nådde avtal om att avyttra icke‑kärnaktiviteter.

“Framöver förblir vi engagerade i att nå våra utökade Goodyear Forward‑mål, inklusive ytterligare marginalexpansion och meningsfull skuldsänkning.” 

– VD Stewart

För 2025 förväntar sig företaget “betydande skuldsanering”, marginalexpansion och optimering av sin portfölj för att driva aktieägarvärde. Goodyear förväntas leverera bruttointäkter som överstiger 2 miljarder dollar och en nettoskuldsättningsgrad på 2,0‑2,5 gånger i slutet av året.

Senaste om Goodyear Tire & Rubber Co

Slutsats

Gummispill, främst från däck, utgör en stor utmaning som kräver vår omedelbara uppmärksamhet och effektiva lösningar. Befintliga metoder som pyrolys, även om de är allmänt använda, producerar farliga biprodukter. Samtidigt har traditionella återvinningsmetoder svårigheter med effektivitet och skalbarhet.

Med tanke på att gummispill är ett växande och kritiskt problem, utforskar forskare nya metoder, såsom retentionsdammar för mikroplastfiltrering och kemiska processer som involverar C‑H‑aminering och ryggledningsomarrangemang för gummidekonstruering, vilket erbjuder lovande och grönare lösningar.

Med fortsatt forskning och industriell antagning kan dessa framsteg hjälpa till att minska gummiföroreningar, minska deponiavfall och omvandla gummispill till värdefulla material!