Wpływ zawartości odzyskanego gumy po dewulkanizacji na strukturę, właściwości mechaniczne i zachowanie podczas starzenia termo‑utleniającego gumy etylen‑propylen‑dien‑monomer (EPDM)

Dlaczego stara guma wciąż ma znaczenie

Co roku ogromne ilości gumy z uszczelek, węży, pokryć dachowych i opon trafiają na wysypiska, ponieważ proces, który nadaje gumie wytrzymałość i elastyczność, jednocześnie utrudnia jej recykling. W tym badaniu przyjrzano się obiecującemu sposobowi nadania nowego życia jednej z powszechnych gum – EPDM. Poprzez kontrolowane rozrywanie i odtwarzanie niektórych drobnych wiązań łączących materiał badacze sprawdzają, ile odzyskanej gumy EPDM można wprowadzić do nowych produktów bez utraty bezpieczeństwa, trwałości i wydajności. Ich wyniki wskazują na możliwość tworzenia bardziej zrównoważonych elementów gumowych w samochodach, budynkach i przemyśle, przy mniejszej ilości odpadów trafiających na składowiska lub do spalania.

Przemiana zużytej gumy w użyteczny składnik

Guma EPDM jest szeroko stosowana, ponieważ lepiej niż wiele innych elastomerów opiera się działaniu ciepła, ozonu i warunków atmosferycznych. Po „wulkanizacji” – chemicznym sieciowaniu w trójwymiarową strukturę – staje się mocna i elastyczna, lecz bardzo trudna do przetopienia i ponownego użycia. Zespół pracował z gumą EPDM po dewulkanizacji, w której wiele siarczkowych wiązań między łańcuchami zostało selektywnie przerwane, przy czym główny szkielet polimerowy pozostał w dużej mierze nienaruszony. Ten odzyskany materiał wciąż zawiera polimer, sadzę, oleje i wypełniacze mineralne. Badacze wymieszali go z typowym kompozytem uszczelniającym EPDM na czterech poziomach: brak (referencja surowego materiału), 20%, 40% i 60% gumy po dewulkanizacji. Dla najwyższego udziału zastosowali też zmodyfikowaną recepturę z mniejszą ilością sadzy i zmiękczacza, aby zrekompensować składniki wniesione przez materiał z recyklingu.

Jak dodatek recyclatu zmienia strukturę

Aby zrozumieć, co dzieje się wewnątrz gumy, autorzy wykorzystali zestaw technik śledzących formowanie się i starzenie sieci. Testy utwardzania, eksperymenty pęcznienia, relaksacja naprężeń zależna od temperatury, niskopolowy NMR oraz metoda punktu zamarzania dla uwięzionego rozpuszczalnika badają, jak ciasno łańcuchy są ze sobą powiązane. Większość tych metod potwierdziła, że dodatek dewulkanizowanego EPDM zwiększa ogólną gęstość wiązań w sieci, głównie dlatego, że materiał z recyklingu wciąż zawiera reaktywny siarkowy materiał i częściowo przerwane wiązania, które mogą tworzyć nowe mostki podczas ponownego utwardzania. Jednak jedna technika — oparta na przesunięciu punktu zamarzania rozpuszczalnika przez obecność gumy — sugerowała, że przy dużej zawartości recyklatu średnie odstępy między wiązaniami faktycznie rosną. Autorzy proponują, że ta rozbieżność może odzwierciedlać bardziej złożony miks długich, elastycznych mostków siarczkowych i krótszych, sztywniejszych wiązań w kompozytach bogatych w recyklat, oraz że nie wszystkie metody „widzą” tę strukturę w tym samym sensie.

Od badań laboratoryjnych do wydajności w praktyce

Badania mechaniczne wykazały wyraźny kompromis w miarę wzrostu udziału dewulkanizowanego EPDM. Twardość Shore A, prosta miara odczuwalnej jędrności gumy, systematycznie rosła wraz ze wzrostem udziału recyklatu, odzwierciedlając bardziej sztywną, ściślejszą sieć z obfitym wypełnieniem. Jednocześnie wytrzymałość na rozciąganie, odporność na rozdarcie i wydłużenie przy zerwaniu spadały, zwłaszcza przy 40% i 60%. Mikroskopijne niejednorodności w połączeniach między strefami nowej i starej gumy, nierównomierne sieciowanie i częściowo uszkodzone łańcuchy tworzą „słabe miejsca”, gdzie zaczynają się i rozwijają pęknięcia. Zmodyfikowana receptura 60%, z mniejszą ilością sadzy i oleju, nieco zmiękczyła materiał i poprawiła jego zdolność do rozciągania w porównaniu z niezmodyfikowaną mieszanką 60%, przy zachowaniu większości właściwości w podobnym zakresie. Pokazuje to, że inteligentne formułowanie może częściowo zrekompensować wady wynikające z intensywnego recyklingu.

Co się dzieje podczas starzenia gumy

Trwałość jest równie ważna jak początkowa wytrzymałość w przypadku uszczelek i podkładek, które przez lata mogą pracować w gorących, bogatych w tlen środowiskach. Aby naśladować długoterminową eksploatację, badacze poddali wszystkie kompozyty starzeniu do sześciu tygodni w 70 °C i 100 °C oraz przez odpowiednio krótszy czas w 125 °C. Śledzili zmiany w chemii, sztywności, wytrzymałości, rozciągliwości i sprężystości. Jak można było oczekiwać, starzenie prowadziło do wzrostu liczby wiązań sieciowych i pewnego rozrywania łańcuchów we wszystkich materiałach. Jednak kompozyty zawierające dewulkanizat nie starzały się szybciej niż referencja z materiału pierwotnego; w wielu przypadkach ich utrata wytrzymałości i elastyczności była porównywalna, a czasem nawet nieco mniejsza. Widma w podczerwieni i pomiary sieciowania wykazały, że sieć stopniowo przesuwa się od dłuższych, bardziej ruchomych mostków siarczkowych ku krótszym, bardziej sztywnym, ale ta zmiana nie powodowała dramatycznego dodatkowego kruchości w mieszankach z recyklatem. Zmieniona receptura 60% czasami zachowywała się wyjątkowo dobrze, co sugeruje, że dostosowanie receptury może poprawić zarówno początkowe właściwości, jak i odporność na starzenie.

Co to wszystko oznacza dla bardziej ekologicznej gumy

Dla osób niezaznajomionych z tematem główny wniosek jest taki, że guma EPDM zawierająca znaczną frakcję starannie dewulkanizowanego materiału może nadal dobrze spełniać swoje zadania, zwłaszcza jeśli receptura zostanie skorygowana o dodatkowe wypełniacze i reaktywną siarkę, które wnosi recyklat. Większa zawartość odzyskanego materiału sprawia, że guma staje się twardsza, ale mniej rozciągliwa, a bardzo wysokie udziały wciąż powodują zauważalny spadek wytrzymałości. Jednak mieszanki z recyklatem nie rozpadają się szybciej pod wpływem ciepła i tlenu; starzeją się w przybliżeniu w takim samym tempie jak konwencjonalne EPDM. Sugeruje to, że w wielu zastosowaniach uszczelniających i amortyzujących, gdzie ekstremalne osiągi mechaniczne nie są kluczowe, producenci mogą bezpiecznie zastąpić znaczną część gumy pierwotnej odzyskanym EPDM, ograniczając odpady i zużycie zasobów przy zachowaniu długiej żywotności elementów.

Cytowanie: Leng, Y., Spanheimer, V., Katrakova-Krüger, D. et al. Effect of devulcanized reclaimed rubber content on structure, mechanical properties, and thermo-oxidative aging behavior of ethylene-propylene-dien-monomer (EPDM) rubber. Sci Rep 16, 6350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36961-w

Słowa kluczowe: Guma EPDM, dewulkanizacja, recykling gumy, starzenie materiału, zrównoważone polimery