Reclaim Rubber usage and trend

ยางรีเคลมกับการใช้งานที่เพิ่มมากขึ้น

Ram Murthy Krishnan อดีตวิศวกรผู้มีประสบการณ์มากมายในการผลิตยางล้อและนวัตกรรมการพัฒนาผลิตภัณฑ์ของ บริษัท Goodyear Tire & Rubber Company และมีสิทธิบัตรเป็นของตนเองจำนวน 16 ฉบับ ปัจจุบัน เป็นที่ปรึกษาและรองประธานกลุ่ม Tyre and Reinforcement Group of S&V Industries ที่ยังคงติดตามแนวทางเทคโนโลยี และแก้ปัญหาให้กับลูกค้าของเขาได้สัมภาษณ์ในวารสาร Polymer & Tyre Asia ว่า เขาสนับสนุนให้มีการใช้ยางรีเคลมและยางรีเคลมบิวไทล์ในการผลิตยางล้อและด้วยเทคโนโลยีใหม่ที่ได้พัฒนาขึ้นนี้จะช่วยทำให้คุณภาพของยางรีเคลมดีขึ้น เช่น มีค่าความทนต่อแรงดึงเพิ่มสูงขึ้น จึงทำให้มีการคาดการณ์ว่าจะมีการใช้ยางรีเคลมในการผลิตยางล้อเพิ่มขึ้นร้อยละ 10-20 หรืออาจจะสูงกว่านี้ก็ได้
ยางล้อรถบรรทุกจะถูกนำมาลอกเอาส่วนที่เป็นดอกยางออก รวมทั้งแยกเอาเส้นใย เหล็ก และสิ่งเจือปนออกมาก่อนที่จะนำไปผลิตเป็นยางรีเคลม ซึ่งจะได้ยางธรรมชาติเป็นส่วนใหญ่ แต่ในส่วนของขยะยางล้อที่เป็นยางในจะนำไปผลิตเป็นยางรีเคลมบิวไทล์
ในสหรัฐอเมริการมียางล้อที่ถูกทิ้งเป็นขยะประมาณ 270-300 ล้านเส้นต่อปี และในจำนวนนี้มีเพียงร้อยละ 10 เท่านั้นที่ถูกนำมา รีไซเคิล ในขณะที่ยางล้อส่วนใหญ่ (มากกว่าร้อยละ 50) จะถูกนำไปเผาเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงที่ได้จากยางล้อ (Tyre derived fuel: TDF)
การผลิตยางรีเคลมนอกจากจะมีข้อดีในเรื่องต้นทุนที่ถูกกว่ายางธรรมชาติ (ที่ปัจจุบันมีราคาแพง) แล้ว กระบวนการผลิตยางรีเคลม ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากเป็นการรีไซเคิลขยะและเศษยางอีกด้วย
โดยทั่วไปกระบวนการดีวัลคาไนซ์ต้องทำที่อุณหภูมิและความดันสูงพร้อมกับใช้สารเคมี (devulcanising agents) ทำปฏิกิริยาภายในหม้อนึ่งอัดไอ (autoclave) ซึ่งวิธีการนี้ต้องใช้เวลานานและอันตราย ต่อมาได้มีการปรับปรุงเทคโนโลยีโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น กระบวนการทางฟิสิกส์ (อัลตราโซนิกและไมโครเวฟ) การใช้ความร้อนร่วมกับแรงเชิงกล (thermo-mechanical stress) และการใช้แรงเชิงกลร่วมกับสารเคมี (ใช้สารดีลิงค์; Delink) ซึ่งกระบวนการเหล่านี้จะช่วยให้ยางรีเคลมที่ได้มีคุณภาพดีขึ้น
การบวนการรีเคลม
การทำรีเคลมหรือการดีวัลคาไนซ์ยางสามารถทำได้หลายวิธี ดังนี้
1. การใช้ความร้อนร่วมกับแรงเชิงกล เช่น กระบวนการย่อย (digester process)
2. การใช้แรงเชิงกลร่วมกับสารเคมี เช่น กระบวนการดีลิงค์ (Delink process)
3. การใช้คลื่นไมโครเวฟและคลื่นอัลตราโซนิก
4. กระบวนการอื่น

1. กระบวนการย่อย (digester process)
กระบวนการย่อยเป็นการดีวัลคาไนซ์ยางที่อุณหภูมิสูง (150-250 C) ร่วมกับการกวนเป็นเวลานาน (5-12 ชั่วโมง) กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานสูง ผลที่ได้ไม่เพียงแต่จำทำให้เกิดการแตกหักของพันธะโพลิซัลฟิดิกเท่านั้น แต่ยังอาจทำให้เกิดการแตกหักของสายโซ่หลักของโพลิเมอร์อีกด้วย ส่งผลทำให้ค่าความทนต่อแรงดึงของยางรีเคลมต่ำลง (4-5 MPa) ซึ่งถือว่าเป็นข้อจำกัดของกระบวนการนี้
ส่วนในกรณีที่ผลิตยางรีเคลมภายใต้สภาวะความร้อนที่ต่ำลงและใช้เครื่องจักรที่ออกแบบมาพิเศษ เช่น เครื่องเอกซ์ทรูดชนิดเกลียวคู่ที่มีแรงเฉือนสูง (high sheer mix (HSM) twin screw extruder) หรือในหม้อนึ่งอัดไอ และใช้สารรีเคลมและสภาวะการผลิตที่เหมาะสม จำทำให้ได้ยางรีเคลมที่มีความแข็งแรงปานกลาง (6-9 MPa)
2. กระบวนการดีลิงค์ (Delink process)
กระบวนการดีลิงค์เป็นการใช้สารตัวเร่งปฏิกิริยา สารกระตุ้นปฏิกิริยา และสารรีเคลมใส่ลงในยางมาสเตอร์แบตช์ ซึ่งจะผสมในเครื่องบดผสมแบบ 2 ลูกกลิ้งหรือเครื่องแบนบูรี่ (banbury) ที่อุณหภูมิต่ำ (80-90 C) ทำให้เกิดการแตกออกของพันธะเชื่อมโยงกำมะถันของยางวัลคาไนซ์
3. การใช้คลื่นไมโครเวฟและคลื่นอัลตราโซนิก
เทคโนโลยีการดีวัลคาไนซ์ยางด้วยคลื่นไมโครเวฟ (ที่ความถี่ 915-2450 MHz ปริมาณคลื่นที่ใช้อยู่ในช่วง 41-177 วัตต์-ชั่วโมงต่อปอนด์) และคลื่นอัลตราโซนิก (20-50 kHz) สามารถใช้ได้กับขยะยางทั่วไปขนาด 30-40 เมช (mesh) และให้ยางรีเคลมที่มีความทนต่อแรงดึงสูง วิธีนี้แม้ว่าจะผลิตด้วยอุปกรณ์ที่ทันสมัย แต่ก็ยังไม่สามารถให้ผลผลิตทางอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพได้
4. กระบวนการอื่นๆ
นอกจากนี้ยังมีกระบวนการอื่นๆ เช่น เทคนิคการดีวัลคาไนซ์ยางด้วยคาร์บอกไดออกไซด์ที่สภาพวะเหนือจุดวิกฤต (supercritical CO2) ทำโดยใช้เครื่องเอกซ์ทรูดแบบเกลียวคู่ (ที่ความเร็วรอบ 100-200 rpm อุณหภูมิ 200 C) และให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่สภาวะเหนือจุดวิกฤตเข้าไปในระบบ ซึ่งจะทำให้โครงสร้างร่างแห (rubber network) ของยางเกิดการบวมตัวและพันธะกำมะถัน-กำมะถัน เกิดการแตกออก ปริมาณยางรีเคลมที่ได้จากกระบวนการนี้อยู่ที่ 100-200 ปอนด์ต่อชั่วโมง
สามวิธีการหลังนี้จะทำให้ยางรีเคลมมีค่าความทนต่อแรงดึงสูง (10-16 MPa) เมื่อเทียบกับยางธรรมชาติที่มีค่าความทนต่อแรงดึงอยู่ที่ประมาณ 20 MPa วิธีการเหล่านี้มีผลอย่างมากต่อพันธะกำมะถัน-กำมะถัน และพันธะคาร์บอน-กำมะถัน แต่จะไม่ส่งผลต่อพันธะคาร์บอน-คาร์บอนที่เป็นสายโซ่หลักของโพลิเมอร์ ทั้งนี้เนื่องจากความแข็งแรงของพันธะเชื่อมโยงกำมะถัน-กำมะถันเท่ากับ 54kcal/mol ซึ่งต่ำกว่าพันธะคาร์บอน-คาร์บอนที่เป็นสายโซ่หลัก (83 kcal/mol) พลังงานที่ทำให้พันธะคาร์บอน-กำมะถันแตกออกได้จึงอยู่ระหว่าง 2 ค่านี้ และพันธะเชื่อมโยงกำมะถัน-กำมะถันจะแตกก่อนพันธะคาร์บอน-กำมะถันและพันธะคาร์บอน-คาร์บอนที่เชื่อมติดอยู่กับกสายโซ่งหลักของโพลิเมอร์
นอกจากค่าความทนต่อแรงดึงที่ต้องการแล้ว ยางรีเคลมบิวไทล์ของยางในรถยนต์ยังมีสมบัติอื่นๆ ที่สำคัญ เช่น การซึมผ่านของก๊าซและความต้านทานต่อการพับงอ ซึ่งปริมาณการใช้ยางรีเคลมบิวไทล์จะอยู่ที่ 5-30 phr ขึ้นอยู่กับสภาวะการใช้งาน
โดยทั่วไปสารรีเคลมใช้ปริมาณเล็กน้อยเพียงร้อยละ 1-2 ซึ่งประกอบด้วยของผสมของสารตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่น ซัลโฟนาไมด์ไดแอริลไดซัลไฟต์ ไดเพนทีน) เกลือสังกะสี (zincsalts; ZnSt) สารกระตุ้นปฏิกิริยา (ซิงก์ออกไซด์) กรดสเตรียริก และกำมะถัน เป็นต้น

การเปรียบเทียบด้านต้นทุน

Krishnan คิดว่า การที่ราคายางธรรมชาติสูงขึ้นจะเป็นปัจจัยที่ทำให้ผู้ผลิตยางล้อตัดสินใจเลือกนำยางรีเคลม (ที่มีความแข็งแรงสูงขึ้น) มาใช้แทนที่ยางธรรมชาติเพิ่มขึ้น เพื่อผลิตยางล้อเกรดที่มีคุณภาพดีและราคาสามารถแข่งขันได้
ปัจจุบันการนำยางรีเคลมมาใช้ในยางล้อส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วงร้อยละ 5-10 แต่เนื่องจากยางรีเคลมได้รับการปรับปรุงให้มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น เช่น ค่าความทนต่อแรงดึงสูงขึ้น ดังนั้น จึงอาจเป็นไปได้ว่าปริมาณการใช้ยางรีเคลมในยางล้ออาจจะเพิ่มขึ้นเป็นร้อยละ 10-20 หรืออาจจะสูงกว่านี้
บางทีก็มีการนำสารรีเคลมเหล่านี้มาเติมลงในคอมพาวด์มาสเตอร์แบตช์ของยางใหม่โดยตรง ซึ่งจากการศึกษาสูตรยางคอมพาวด์ที่เหมาะสมในห้องปฏิบัติการตามเกณฑ์การทดสอบยางล้อ เช่น มาตรฐาน DOT พบว่ามีการใช้ยางรีเคลมในยางล้อเพิ่มขึ้น
ยางรีเคลมประกอบด้วยส่วนที่เป็นไฮโดรคาร์บอนร้อยละ 50 โดยประมาณ คิดเป็นราคา 0.50 เหรียญดอลลาร์สหรัฐต่อปอนด์ ถ้าหากนำยางรีเคลม 20 phr มาแทนยางธรรมชาติ 10 phr ที่เหลือเป็นยางธรรมชาติ 90 phr ก็จะสามารถประหยัดต้นทุนได้ 1.50 เหรียญดอลลาร์สหรัฐต่อปอนด์ของยางธรรมชาติที่ถูกแทนที่
นอกจากข้อดีที่เห็นได้ชัดในเรื่องต้นทุนที่ลดลงเมื่อใช้ยางรีเคลมร่วมกับยางใหม่แล้ว การใช้ยางรีเคลมร่วมกับยางใหม่นี้ยังส่งผลดีต่อการผลิตอีกด้วย เช่น เวลาในการผสมลดลง ประหยัดพลังงานมากขึ้น ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องเอกซ์ทรูดและคาเลนเดอร์มีขนาดและรูปทรงสม่ำเสมอ การบวมพองและการหดตัวระหว่างการเอกซ์ทรูดลดลง การยึดติด (building tack) ดีขึ้น วัลคาไนซ์ได้เร็วขึ้น ให้ผลผลิตสูงขึ้น และต้านทานต่อการบ่นเร่ง (age resistance) ได้ดีขึ้น
Krishnan ระบุว่า การผลิตยางล้อที่มีสมรรถนะสูง เช่น ยางล้อเครื่องบิน และยางล้อรถแข่ง สามารถจะเลือกใช้ยางรีเคลมเกรดที่มีความแข็งแรงสูงได้ อย่างไรก็ตามเรื่องราคาไม่ใช่ปัจจัยที่สำคัญเท่ากับความปลอดภัย ดังนั้นผู้ผลิตยางล้อส่วนใหญ่จึงใช้ยางธรรมชาติใหม่ทั้งหมด (ไม่ใช้ยางรีเคลม) ในสูตรยางล้อเหล่านั้น
อย่างไรก็ตามยางล้อที่ผลิตในปัจจุบันจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของยุโรปและอเมริกา (เช่น REACH และข้อกำหนดฉลากยางล้อ) ไม่ว่าจะมีส่วนผสมของยางรีเคลมหรือไม่ก็ตาม ตามข้อกำหนดของ REACH ห้ามจำหน่ายยางล้อหรือส่วนประกอบของยางล้อที่มีส่วนผสมของน้ำมันอะโรมาติกในปริมาณที่เกินกว่าที่กำหนดระหว่างกระบวนการผลิตยางล้อ
เกณฑ์กำหนดปริมาณน้ำมันอะโรมาติกหรือสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่วงแหวนอโรมาติกที่เรียกว่า PAH polyaromatic hydrocarbon) ในยางคอมพาวด์ คือ ไม่เกินร้อยละ 0.35 bay protons (เป็นตำแหน่งที่มีอะตอมของไอโดรเจนเกาะอยู่) ตามมาตรฐาน ISO 21461 ซึ่งบริษัทยางล้อในสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดกฎหมายของตลาดยุโรป เรื่องดังกล่าวจะมีผลกระทบต่อตลาดยางล้อทั้งในสหรัฐอเมริกาและทั่วโลกในช่วงอีก 5 ปีข้างหน้านี้

ที่มา 1. วารสาร Polymers & Tyre Asia ฉบับเดือนเมษาบน/พฤษภาคม 2011
2. วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยียาง ปีที่ 3 ฉบับที่ 3 กรกฎาคม-กันยายน 2552