3 Cykl: odbierz, przetwórz, wdróż i powtórz. Rola recyklatu we współczesnym projektowaniu – rozważania na temat surowca
Jedną z większych pod względem masy grup odpadów na świecie są zużyte opony. W związku z ciągłym wzrostem liczby zużywanych produktów tego rodzaju i długim czasem ich biodegradacji są one istotnym zagrożeniem dla środowiska.
WSTĘP / KONTEKST PROBLEMU
Przestrzeń publiczna to miejsce, gdzie mnogość barw, struktur, faktur przykuwa naszą uwagę na każdym kroku. Spoglądając z bliska na otaczające nas formy wytworzone przez człowieka, widzimy często niszczejące pod wpływem warunków atmosferycznych drewno, korodującą stal, spękany beton. Skłania to do refleksji – co stanie się z materiałem, który już się wysłużył i czy jesteśmy w stanie zbudować zaufanie społeczności do naszego rozwiązania tego problemu? Co ważniejsze: Czy możemy globalnie rozpocząć procesy, które wpłyną na poprawę sytuacji?
W czasach, gdy sytuacja ekonomiczna na świecie zmienia się w zatrważającym tempie, a ceny materiałów produkcyjnych szybują, nasuwa się pytanie, dlaczego nie wykorzystywać surowca, który zapewniłby możliwość odzysku bądź ponownego przetworzenia w bezstratny sposób? Tworzywa sztuczne piętrzące się dziś na wysypiskach śmieci to materiały o bardzo niejednorodnych parametrach. Wystarczy odpowiednia mieszanka surowca, bądź domieszka dodatkowego materiału, a jesteśmy w stanie uzyskać właściwe giętkość, wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie etc. Niejednokrotnie mogliśmy się przekonać, że produkcja może opierać się na materiałach wytworzonych z recyklatu plastiku. Jednak w większości przypadków recyklat to tylko część materiału, z którego jest produkowane nowe opakowanie, a czasem dodaje się spoiwo uniemożliwiające ponowne przetworzenie.
Media przebijają się z coraz bardziej szokującymi obrazami z plaż Nigerii, Dominikany czy Manili, na których dostrzegamy góry zmieszanych śmieci. Producenci prześcigają się w poziomie wskaźnika „eko” w swoich produktach, jedynie dodając domieszki naturalnych składników. Sprzedawcy eliminują plastik, zastępując torby foliowe papierowymi, choć ich wytwarzanie budzi wątpliwości z punktu widzenia ekologii. Brakuje propagowania w zakresie świadomej segregacji śmieci, a tworzywa sztuczne trudno zastąpić innym materiałem podobnym pod względem wytrzymałości czy sterylności. Wydawałoby się, że jako społeczeństwo znaleźliśmy się w punkcie bez wyjścia, a przed nami perspektywa nieodwracalnego zużywania zasobów Ziemi. Wierzymy jednak, że nadal możemy wspólnie reagować i tworzyć rozwiązania, które zmienią przyszłość i polepszą sytuację na rynku materiałowym. W ciągu ostatnich kilku lat na terenie Polski powstało wiele startupów, które opracowały nowy materiał, sposób jego pozyskiwania, czy też nowe technologie jego obróbki.
POSZUKIWANIA
Rozważania na temat materiału obiektów w przestrzeni miejskiej, które prowadziliśmy w naszym studiu projektowym FuseLab , przerodziły się w poszukiwania i koncypowanie. Naturalnym kierunkiem okazały się tworzywa sztuczne, o których od wielu lat jest coraz głośniej. Próbując odczarować ich zły PR, to im poświęciliśmy najwięcej czasu. Większość tworzyw, z których produkuje się opakowania jednorazowe (spożywcze, kosmetyczne), to dobrej jakości materiały – głównie HDPE, PP lub PET. Największym problemem są materiały łączone – kartony powlekane, folie warstwowe, których recykling, chociaż możliwy, jest bardzo drogi. Opakowania wykonane z „czystych” tworzyw stosunkowo łatwo pozyskać, oczyścić i rozdrobnić. Wtedy świetnie nadają się do ponownego wykorzystania. W sumie naszej analizie poddaliśmy większość popularnych tworzyw – PE, LDPE, HDPE, PP, PS i PET, ale również inne odpady, na przykład trociny i wióry drewniane, opiłki aluminiowe i stalowe, gruz, szkło. Po przeanalizowaniu dziesiątek materiałów będących odpadami jeden z nich okazał się szczególnie interesujący.
Tym materiałem mogącym służyć jako spoiwo dla plastiku, a stanowiącym problem podobnej wagi dla środowiska jak składowiska tworzyw sztucznych, są zużyte opony samochodowe. Są one jedną z większych pod względem masy grup odpadów na świecie. W Europie powstaje obecnie około 3,8 mln ton zużytych opon rocznie. Unia Europejska wprowadziła zakaz ich umieszczania na wysypiskach śmieci i składowiskach odpadów. Przyjęła też zasadę „poszerzonej odpowiedzialności producentów”, zgodnie z którą to wytwórca bądź importer odpowiada za wymagany poziom odzysku lub recyklingu opon. Aktualnie w UE poziom ten wynosi dla odzysku 75%, a dla recyklingu – 15%.
Z Krajowego planu gospodarki odpadami wynika, że w 2014 roku masa zużytych opon w Polsce wyniosła 234,3 tys. ton, w 2013 roku – 222 tys. ton, a w 2012 roku – 218,9 tys. ton. W 2022 roku liczba ta będzie oscylowała wokół 212,4 tys. ton1.
W związku z ciągłym wzrostem liczby eksploatowanych opon i długim czasem ich biodegradacji, wynoszącym nawet do 100 lat, stare opony są istotnym zagrożeniem dla środowiska. Stąd zakazane jest ich wyrzucanie na wysypiska śmieci czy spalanie w piecach gospodarstwa domowego. Nawet podpisanie ustawy o zaprzestaniu produkcji samochodów spalinowych i zastąpieniu ich pojazdami o napędzie elektrycznym nie rozwiązuje sprawy opon, które przy rosnącej liczbie aut i tak będą rosnącym problemem, a nie wiemy jeszcze, czy ich zużycie w samochodach elektrycznych nie będzie większe.
Dzisiaj recyklat ze zużytych opon stosuje się najczęściej jako domieszki lub dodatki na przykład do asfaltu albo w połączeniu z klejami lub żywicami poliuretanowymi jako podkłady na nawierzchnie sportowe lub place zabaw (na przykład elastyczna płyta z granulatu SBR spółki MTJ-Group). To ostatnie połączenie nie nadaje się do recyklingu. Odpowiedzialne projektowanie uwzględniające odzysk materiałów i świadomy zrównoważony rozwój w produkcji, zwłaszcza w małych firmach, to zdecydowanie mniejszość rynku.
Aktualnie recyklinguje się tworzywa sztuczne pochodzące z różnych obszarów produkcyjnych takich jak: opakowania, wyposażenie wnętrz, motoryzacja, elektronika, odzież i inne. Badania GUS z 2017 roku wykazują, że na jednego mieszkańca Polski przypadało średnio 312 kg odpadów komunalnych, w tym około 7,7 kg odpadów tworzyw sztucznych (7,9 kg w 2016 roku). Od 2016 roku wszystkie państwa członkowskie UE obowiązuje recyklingowanie odpadów komunalnych do poziomu 65% do 2030 roku. Badania z 2017 roku pokazują, że około 3199 tys. ton odpadów komunalnych jest przeznaczone do recyklingu, czyli 26,7% ilości ogólnej2.
Według danych fundacji Plastics Europe udział recyklatu w wyrobach sztucznych we wspomnianych branżach wynosi od 3% w motoryzacji i odzieży, przez 6% w opakowaniach, do 21% w rolnictwie. Generalnie udział regranulatu w produkcji wyrobów tworzyw sztucznych to około 15%, w czym tylko 9% pochodzi z odpadów gospodarstw domowych3.
Wszystkie opisane dane pochodzą z badań prowadzonych na terenie Polski, gdzie odnotowuje się jeden z najniższych poziomów recyklingu w UE przy rosnącym rozwoju gospodarczym. Błędne procesy projektowe, których wynikiem są produkty wzornicze bez możliwości dalszego recyklingu, nie sprzyjają poprawie sytuacji.
Recyklat jako nowy materiał w projektowaniu
TESTY / PARAMETRY
Jako studio projektowe FuseLab opracowaliśmy setki próbek materiałów na bazie tworzyw sztucznych z odzysku w połączeniu z recyklatem z zużytych opon samochodowych czy trocin drewnianych, próbując udowodnić, że jest to materiał dający szerokie zastosowanie na rynku wzorniczym.
Próbki materiałów na bazie tworzyw sztucznych z odzysku w połączeniu z recyklatem
Rozdrobniony granulat z zużytych opon
Próbki materiałów na bazie tworzyw sztucznych z odzysku w połączeniu z recyklatem
Szereg testów potwierdził bądź wykluczył przydatność proponowanych receptur składników w dalszej pracy projektowej. Problem badawczy skupiał się na wyłonieniu odpowiedniego zestawu materiałów, będącego efektem niestandardowych połączeń i obróbki. Po wielu próbach do dalszych eksperymentów jako najbardziej rokujące zostały ostatecznie wybrane następujące materiały z odzysku:
- tworzywa sztuczne stosowane w opakowaniach HDPE, PE, PS, PP, PET;
- tworzywa sztuczne stosowane w produkcji zabawek PP;
- guma z zużytych opon samochodowych;
- wióry i trociny drewniane;
- wióry aluminiowe.
Badania rozpoczęły się od przeanalizowania największej grupy odpadów plastikowych na rynku – opakowań spożywczych i kosmetycznych oraz zabawek. Materiały należało pozyskać, a następnie dokonać segregacji ze względu na rodzaj i kolor. Kolejnym krokiem było oczyszczenie materiału, a następnie zmielenie go.
Tak przygotowany granulat był mieszany z drugim składnikiem (wióry, trociny lub granulat z opon) w odpowiednich proporcjach. Wióry i trociny były pozyskiwane z worków systemu odciągowego stolarni. Granulat z opon został pozyskany metodą rozdrabniania.
Gotowy zestaw granulatów był poddany działaniu wysokiej temperatury (około 250°C) i prasowany przez przygotowane specjalne oprzyrządowanie. Czas tego procesu był różny, najczęściej wystarczyło 15 minut, aby materiał się uplastycznił i poddał modelowaniu.
Seria przygotowanych próbek, zgodnie z polską normą, przechodziła badania laboratoryjne oraz została poddana obróbce przemysłowej. Recyklaty złożone z HDPE (a także innych PE) i wiórów drewnianych (mimo swojej kruchości) oraz HDPE z gumą opon samochodowych okazały się najlepiej rokującym materiałem do dalszych eksperymentów. Próbki, w których składzie był granulat z butelek PET, zostały odrzucone z powodu braku odpowiedniego uplastycznienia i formowania w stosowanych metodach przetwarzania. Próby wydłużenia czasu obróbki wysoką temperaturą nie przyniosły oczekiwanego efektu. Recyklat na bazie polistyrenu PS znacznie zmniejszył swoją objętość podczas podgrzewania oraz wydzielał niebezpieczne opary. W początkowej fazie obróbki recyklat z polipropylenu PP zachowywał się podobnie jak ten z HDPE. Jednak podczas uplastyczniania większych objętości w próbkach zaczęły pojawiać się rozwarstwienia.
WYZWANIA BADAWCZE I PROJEKTOWE
Działania dotyczące opracowania próbek materiałowych przyczyniły się do rozpoczęcia poszukiwań obszarów, w których materiał z recyklatu może być realnie wykorzystywany w procesie produkcyjnym nowego wyrobu wzorniczego. Research potrzeb i analiza rynkowa zostały zawężony do potrzeb małej architektury miejskiej oraz infrastruktury drogowej. Próbki zbadane materiałowo w Katedrze Metalurgii i Recyklingu na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej4 pokazały, że największe możliwości aplikacyjne w sektorze architektury miejskiej prezentuje przetworzony recyklat zawierający 50% gumy z opon połączony recyklatem z HDPE. Badana próbka materiałowa została trzykrotnie przetworzona. Wynik każdego procesu pokazał prawie identyczne właściwości. Materiał ten wykazał się najwyższą wartością udarności oraz elastycznością podczas prób ściskania. Oznacza to, że może znaleźć zastosowanie w wyrobach, od których wymagana jest właśnie odporność na ściskanie i uderzenia.
Temat recyklingu w procesie badawczym został podjęty ze względu na chęć wprowadzenia realnej zmiany i ingerencji w sektor tworzenia „odpowiedzialnych” materiałów, wykorzystywanych w procesie projektowania produktu wzorniczego. Przygotowane recyklaty nie są dziełem przypadku, a zostały wybrane na podstawie doświadczenia, wiedzy projektowej, badań oraz znajomości procesów produkcyjnych. Aktualnie rynek architektury miejskiej oferuje głównie produkty wytworzone ze stali, litego drewna, szkła czy betonu. Produkty te widoczne są w przestrzeni wspólnej, z której korzystają przedstawiciele różnych grup społecznych, i mogą być nośnikiem ważnych informacji, a także zwiększać świadomość, czym realnie może być recykling.
Efektem dotychczasowego procesu badawczego oraz projektowego jest koncepcja systemu elementów przestrzeni miejskiej, w tym odbojnika, w skład którego wchodzi główna baza budująca kształt oraz zaślepka. Rubber bumper, który był punktem wyjściowym do dalszych rozważań na temat systemu, daje możliwości takie jak: odgrodzenie części parkingu tak, by koła samochodu po dojechaniu do odbojnika nie mogły pokonać przeszkody przy małej prędkości, zbudowanie krawężnika pomiędzy obszarami czy zapewnienie dystansu zabezpieczającego przed dojechaniem pojazdem do ściany.
Rubber bumper
Rubber bumper
Jednym z najważniejszych założeń projektowych stał się obszar produkcyjny. Wykluczone zostały kształty zwiększające ryzyko konieczności zastosowania zaawansowanych form wytwórczych, które finalnie wpłynęłyby negatywnie na ekonomiczność produktu. Powstałe prototypy zostały wykonane przy wykorzystaniu dostępnych i prostych narzędzi. To świadczy o tym, że wyrób może być produkowany na skalę masową z wykorzystaniem zaawansowanych maszyn. Jest wiele wyzwań związanych z tym przedsięwzięciem – zapewnienie dostaw odpadów, transport, ich składowanie – aby cała idea nabrała realnego kształtu, musi zostać wdrożony nie tylko produkt, ale też cały cykl produkcyjno-logistyczny.
Obecnie powstałe prototypy są poddawane testom użytkowym, które pokażą dalsze możliwości rozwojowe samego produktu oraz umożliwią jak najdalej idące wyeliminowanie zagrożeń na wielu polach produkcyjnych i użytkowych. Równolegle z procesem testowania opracowywane są kolejne elementy systemu, tak by uzyskana mieszanka recyklatów mogła być wykorzystana w pełnym zakresie potrzeb.
Kolejnym wyzwaniem na tym etapie jest zadbanie, aby cały proces był zgodny z pierwotnymi założeniami, od pozyskania odpowiednich śmieci, poprzez przetwarzanie, wytwarzanie i, ostatecznie, wdrożenie nowego produktu. Niestety, nie jest to powszechnie stosowany proces w wytwarzaniu nowych produktów. Jako zespół projektowy starający się odpowiedzialnie przeprowadzać proces projektowo-produkcyjny stawiamy sobie za cel, aby produkt nie zawierał domieszek nowego granulatu, bazował wyłącznie na odpadach i zapewniał możliwość ponownego zmielenia i wykorzystania w kolejnym cyklu lub nadawał się do odzysku.
Na rynku, targach, festiwalach wzorniczych coraz częściej można dostrzec pojedyncze produkty wytworzone z recyklatów. W większości są to wyroby nienadające się do powtórnego przetworzenia, a jeśli już, to bardzo często nie są to produkty przystosowane do produkcji masowej. Idea wytwarzania jednostkowych produktów z recyklatów jest słuszna, ale żeby znacząco wpłynąć na stan środowiska i rozwiązać problem recyklingu, potrzebne jest zużywanie odpadów w dużych ilościach.
DALSZY ROZWÓJ
Materiały z wykorzystaniem recyklatu to doskonały obszar do dalszego rozwijania, gdyż daje spore pole do eksperymentów, których efekty mogą być innowacyjne. Już samo zapewnienie kilku cykli przetworzenia materiału radykalnie wpłynie na zmniejszenie ilości generowanych odpadów. Chcąc projektować świadomie produkty wzornicze, musimy rozpocząć od świadomego doboru materiału. Na jego promocję świetnie nadaje się przestrzeń miejska, z której wszyscy korzystają, co może ułatwić edukację w tym zakresie.
Pozostaje wierzyć, że poza chęcią zmiany proponowaną przez grupy aktywistów społecznych, projektantów, urbanistów, architektów, również władze miast oraz światowe ośrodki zajmujące się sprawami środowiska wezmą pod uwagę ten temat. Wykorzystanie recyklatów i cyrkularność materiału to świetny punkt zaczepienia, ale aby mogła nastąpić faktyczna zmiana, potrzebna jest ewolucja systemowa uwzględniająca mądre zarządzanie.
