Wynalazek został skonstruowany w katedrze Politechniki Lubelskiej od podstaw. Maszyna zespołu wydziału mechanicznego może dać drugie życie odpadom, zalegającym przedsiębiorcom. W ten sposób mogą powstać cegły, dachówki, czy nawet elementy konstrukcyjne, o pożądanych przez klienta właściwościach. To innowacyjna oferta naukowców dla przemysłu, wyprzedzająca swoim rozwiązaniem światowe osiągnięcia.

O tym jak dokładnie to działa i co jest w niej specjalnego, INNPoland rozmawia z dr hab. inż. Tomaszem Klepką, profesorem Politechniki Lubelskiej i kierownikiem Katedry Technologii i Przetwórstwa Tworzyw Polimerowych.

Sebastian Luc-Lepianka, INNPoland: Jakie konkretnie produkty możecie stworzyć?

Dr hab. inż. Tomasz Klepka, prof. uczelni: Jeżeli zmieszamy tworzywo polimerowe z napełniaczem – odpadem po produkcji rolnej, to może być na przykład pojemnik, doniczka.

Czy odpadem może być np. karton?

Tak, bo jest to materiał naturalny – celuloza. Po rozdrobnieniu kartonu możemy także taki odpad wprowadzać do maszyny. Jednak łatwiej jest dodać odpad po obróbce drewna. Pył drzewny wprowadzany do tworzywa jest znany w technologii pod nazwą wood-plastic composites, wprowadza się go do procesu przetwórczego nawet w 60 proc. W tym przypadku ważne jest, aby był to polimer pierwotny i miał odpowiednią wielkość cząstek wysuszonego pyłu drzewnego.

Które jeszcze tworzywa są korzystne?

Możemy dodać typowe tworzywo biodegradowane, polimer termoplastyczny PLA również podlega przetwórstwu wtórnemu. Dodając do tego odpady poprodukcyjne, w tym po produkcji rolnej, otrzymujemy ciekawą kompozycję materiałową. Oczywiście jakość i wizualny stan takiego produktu nie będzie taki jak przy pierwotnym materiale, ale jeśli dobrze określimy jego funkcje, to na pewno uda się je spełnić

To nadal będzie korzystne, z uwagi na koszty oraz wtórne wykorzystanie odpadów, a takie "gorszej jakości" wizualnie wyroby możemy zastosować w miejscach, które nie są bezpośrednio poddane ocenie klienta, na przykład: element dystansowy, wspornik albo niewidoczny element konstrukcyjny.

Czyli można z tego zbudować elementy urządzeń, osłony, dachówki albo np. rusztowanie szklarni?

Cała sztuka polega na tym, że maszyna, którą mamy w naszej Katedrze, jest na tyle uniwersalna, że w zależności od potrzeb jesteśmy w stanie w bardzo krótkim czasie wytworzyć próbną serię kompozycji materiałowej, w tym także przetestować narzędzie do konkretnego wyrobu. Oczywiście w mniejszej skali, a wykonane prace mogą być zbliżone do tego, co przedsiębiorca mógłby wdrożyć u siebie w zakładzie produkcyjnym.  

Przetwórstwo tworzyw polimerowych, przy określonych wyrobach, nie jest takie proste przy zastosowaniu tworzyw pierwotnych, a sprawa bardzo komplikuje się przy tworzywach wtórnych pochodnych z recyklingu.

Czytałem, że możecie zrobić kamienie wchłaniające i oddające wodę.

Tak myślę, że naszym ciekawym rozwiązaniem jest tzw. "grys mineralno-polimerowy". W zależności od tego, co jest materiałem wsadowym, możemy tak dobrać skład, budowę i funkcje naszego produktu, aby spełnił konkretne wymagania. Możemy go barwić w całej masie, a nie tylko powierzchniowo oraz aplikować różnego rodzaju dodatki i napełniacze. Możemy także dodać porofor, który sprawi, że ścianka nie będzie jednolita tylko właśnie porowata. Jeszcze do końca nie mogę powiedzieć o szczegółach.

Szkoda, że nie może pan powiedzieć o szczegółach. 

Dotyczą one konkretnego rozwiązania dla klienta. Jeżeli przychodzi do nas przedsiębiorca z jasnym przesłaniem, że jest gotowy wykonać produkt, to  nasz  zespół  naukowców jest w stanie przygotować gotowe prototypy. Nie sprzedajemy maszyn i urządzeń, a ideę oraz innowację.  

Na czym to polega?

Możemy udzielić licencji na nasze patenty lub wspólnie opracować nowe zgłoszenie patentowe z przedsiębiorcą. Możemy także zaprojektować i wdrożyć prototypową linię technologiczną. Bardzo ciekawe dla nas jest uczestnictwo z firma w projektach w charakterze konsorcjanta lub zaplecza B+R. Wykonujemy także prace zlecone, ekspertyzy oraz badania wybranych właściwości fizyko-mechanicznych różnych materiałów. To są zadania, które robimy od kilkunastu  lat.

Macie dużą konkurencję na rynku?

Nie stanowimy dla nikogo konkurencji, powiem nawet więcej, że jesteśmy otwarci na współpracę w zakresie różnorodnych tematów.

Jednak mówicie, że jesteście od kogoś lepsi.

(śmiech) Jako Polacy nie mamy się czego wstydzić. Nie jesteśmy jedynymi, którzy robią tego typu innowacyjne kompozycje materiałowe. Świat nie stoi w miejscu, jest wiele publikacji na podobne tematy. Natomiast my jesteśmy bardzo blisko z przedsiębiorcami. Jesteśmy w stanie przełożyć nasze rozwiązania i pomysł na technologie, a nasi przedsiębiorcy nie boją się zaryzykować.

Oczywiście wymaga to wykonania serii testów i nie zawsze od razu otrzymujemy produkt w 100 proc., taki jaki jest oczekiwany. Należy pamiętać o tym, że w tym przypadku pracujemy z materiałami odpadowymi, które są trudne jako surowiec wejściowy do procesu… ale możemy wtedy zaproponować alternatywę. Jak w każdym temacie, sukces nie zawsze jest natychmiastowy. 

My potrzebujemy do współpracy przedsiębiorców, którzy wiedzą jakie produkty i cechy chcą otrzymać na końcu. Wtedy jest nam łatwiej pracować. Niestety nie działa to tak, że dostajemy surowiec i przedsiębiorca mówi "proszę zrobić taki produkt, że ja go wyprodukuję i sprzedam z dużym zyskiem". W tym temacie przedsiębiorca musi nami wskazać, do jakiego celu mamy dążyć, a sukces jest wtedy wspólny.

Zostaliście już docenieni za granicą.

W Zagrzebiu otrzymaliśmy złoty medal za nasz wynalazek, ale to nie jest jedyna wystawa, gdzie byliśmy z naszą maszyną. Byliśmy na wystawie w Taipei, w Korei Południowej oraz w Indiach. Mamy pozytywne informacje od uczestników targów a jury było zaskoczone poziomem pomysłu i możliwością natychmiastowego wdrożenia go do linii technologicznej w przedsiębiorstwie. Pokazaliśmy nie tylko ideę, rysunki, ale konkretną wiedzę inżynierską, że to stanowisko maszyny działa.

Co jest wyjątkowego w waszej nowej maszynie?

Pracowaliśmy nad tym naszym rozwiązaniem kilka lat, maszyna ta całkowicie zmienia podejście do przetwórstwa tworzyw wtórnych. Głównie tworzyw pochodzących z odpadów poprodukcyjnych, czyli po produkcji wyrobów z tworzyw powstających wewnątrz zakładów. Proszę podkreślić, że nie dotyczy to tzw. odpadów komunalnych, żeby to było jasne. Główna strategia wykorzystania tego typu maszyny polega na pozyskiwaniu odpowiednich surowców, które można zamienić na produkty użytkowe, dając tworzywom odpadowym ich "drugie życie".

Obecnie na rynku są różnego rodzaju tworzywa, które po separacji tych tworzyw od głównego nurtu odpadów, można ponownie przetworzyć i w efekcie skomercjalizować.

Jakie są to tworzywa?

Polietylen, polipropylen, poli(chlorek winylu), polistyren, ABS… oraz różnego rodzaju znane kompozycje materiałowe, które również można zawracać do recyklingu. Z uwagi na to, że tworzywa termoplastyczne można wielokrotnie przetwarzać, przy czym, jeżeli jest to tworzywo czyste-pierwotne, to teoretycznie nawet 10-50 razy, bez wyraźnego pogorszenia właściwości.

Jak więc działa wasza nowa maszyna?

Naszym surowcem wejściowym może być wszystko to, co wrzucimy do leja zasypowego maszyny. Na przykład, jeżeli jest to znany materiał, jak polipropylen, to możemy go po podgrzaniu i dodaniu napełniaczy oraz składników dodatkowych uformować za pomocą określonego narzędzia formującego kształty i wymiary. Po ochłodzeniu otrzymujemy gotowy wrób, i jeżeli  nie spełni on swojej funkcji, to po rozdrobnieniu można go ponownie zawrócić do maszyny. Narzędziem w tym procesie może być głowica wytłaczarska, może być forma wtryskowa lub gniazdo formy zamocowanej na prasie hydraulicznej lub nawet prasy ręcznej. Cała sztuka polega na tym, żebyśmy wiedzieli, co wprowadzamy do maszyny jako surowce wejściowe. 

Tak średnio, to ile odpadów przedsiębiorstwa generują?

Może to być liczone w tonach w skali miesiąca. Niektóre produkty się nie sprzedają, bo na rynku nie ma zapotrzebowania na tego typu kształt, wymiary albo cechy lub w linii technologicznej powstaje konkretny odpad tzw. poprodukcyjny.

Jak wychodzi to kosztowo? Opłaca się to w porównaniu do przetwarzania odpadów?

Tak, z uwagi na to, że przedsiębiorca musi konkretne odpady utylizować i oczywiście za to dodatkowo zapłacić, nasza propozycja dotyczy wtórnego ich wykorzystania. Przedsiębiorcy powinni rozmawiać z naukowcami w celu znalezienia takiego rozwiązania, aby ekonomicznie przedsiębiorca nie poniósł dodatkowych kosztów, a odpad zamienił w surowiec wejściowy do innego procesu technologicznego.

Czyli na przykład?

W opracowanym przez nas mieszalniku termicznym działającym w układzie pionowym, możemy dokładniej kontrolować proces homogenizacji materiałów sypkich tzn. tworzywa polimerowego z napełniaczem. Wykonanie tego typu maszyny oraz narzędzia może się opłacać. Wszystko zależy od kalkulacji, ile i jakiego rodzaju jest to odpad oraz jaki produkt przedsiębiorca jest w stanie wykonać.

Może to być produkt na potrzeby własne lub na sprzedaż. Zdajemy tez sobie sprawę, że z odpadu nie wykonamy idealnego produktu 1:1 do tych samych zastosowań, czyli np. że z odpadowej butelki na wodę wykonamy pojemnik-kontener.

Brzmi jak szeroki zakres możliwości kształtowania plastyczności różnych materiałów.

Tak. Jest duża skala możliwości formowania cech i właściwości końcowego produktu. Przy czym tworzywo polimerowe musi stanowić co najmniej 20-30 proc. masy wytworu. Natomiast każdy dodatek do tworzywa zmienia jego cechy płynięcia i zachowania się podczas procesu przetwórstwa.

Wszystkie produkty są wyłącznie na zamówienie, wszystkie polimery dostosowane do indywidualnych potrzeb?

Ta oferta, zmieniona z patentu na maszynę, jest właśnie taką odpowiedzią na potrzeby przedsiębiorców.

Czym się ona różni od klasycznych maszyn tego typu?

Konwencjonalne wytłaczarki czy wtryskarki przyjmują tworzywo jako surowiec wyjściowy, gdzie dodatków i napełniaczy niepolimerowych jest około 15-20 proc. Nasza maszyna skonstruowana jest, aby przyjąć do uplastyczniania większą objętość dodatków. Nawet do 70-80 proc., dzięki oryginalnej konstrukcji ślimaka, czyli układu uplastyczniającego.

Jakie można wprowadzać napełniacze?

Na przykład dodatki mineralne takie jak piasek lub rozdrobnione elementy odpadowe budowlane. Mogą to być również napełniacze w postaci rozdrobnionych części roślin po produkcji rolnej. W ten sposób też zmniejszamy ilość tworzywa w produkcie. Tego typu produkty muszą mieć też estetyczny wygląd, więc należy do materiału dodać także odpowiedni barwnik, co zmienia całkowicie jego wygląd.

Jaka jest dokładnie rola badań w takich procesach?

Z jednej strony poznajemy cechy i właściwości fizyko-chemiczne, a z drugiej strony możemy zmierzyć konkretne wartości, np. czy dany stosunek proporcji napełniacza do tworzywa jest wystarczający do uzyskania odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej. To jest praca, którą możemy wykonać także w naszym laboratorium – a więc wykonanie próbek do badań i profesjonalne badania zgodnie z normami przedmiotowymi na maszynach wytrzymałościowych. 

Dzięki temu możemy bardzo precyzyjnie pomóc przedsiębiorcy, czy z danej grupy tworzyw albo mieszaniny uzyska się właściwy produkt, który usatysfakcjonuje go w przyszłości i wykorzysta go w wielkoseryjnej lub masowej produkcji. Ważne jest także to, że u nas wyjściowym surowcem może być nawet pół kilograma - oczywiście im więcej tym lepiej - a na maszynach produkcyjnych w firmach jest to minimum 200-300 kilogramów.

Czego nie powinno się stosować w produkcji?

Są takie produkty odpadowe, które w wyniku procesu technologicznego mają dodatki, stabilizatory, lub różnego rodzaju napełniacze w dużych ilościach i w małych. Bez szczegółowych badań nie wiemy, co to ostatecznie jest. Takie tworzywa są trudne do ponownego przetwarzania. W takim przypadku potrzebna jest duża ilość badań reologicznych, w tym lepkości oraz jaki jest wskaźnik szybkości płynięcia… to wszystko determinuje przebieg procesu, a po jego zakończeniu także właściwości mechaniczne wyrobu.

My jako przetwórcy tworzyw jesteśmy w stanie zmodyfikować tworzywo do żądanych cech i właściwości produktu ostatecznego. I tego typu wymagającymi zadaniami możemy się zająć.

Co może się zaliczać do odpadów po produkcji rolnej, które wykorzystujecie?

My rozumiemy to w ten sposób: mamy części rośliny, kwiatostan, łodygi i liście, co stanowi odpad poprodukcyjny np. po tłoczeniu oleju. Dla nas po rozdrobnieniu i wysuszeniu może to być napełniacz o cechach biodegradowalnych. Oczywiście można to zamienić także na paszę dla zwierząt lub nawozy. 

Przeznaczenie ich na napełniacz może się bardziej opłacać?

W zależności, od tego jaką technologię byśmy zastosowali, czy prasowanie, wytłaczanie lub wtryskiwanie, te cienkie włókna rozdrobnionych odpadów po produkcji rolnej spełniają zadanie dużo taniej niż np. włókna węglowe, lub włókno szklane.

Jest duże zapotrzebowanie na alternatywne, ekologiczne materiały. Jakie macie rozwiązania na problemy emisyjności?

Jeśli w przedsiębiorstwie jest problem w postaci potrzeby obniżenia śladu węglowego, można to uzyskać, co najmniej dwoma sposobami. Albo zastosować mniej energochłonne maszyn i urządzenia w linii technologicznej, albo tak zmienić technologię, żeby dodać napełniaczy, które obniżą temperatury przetwarzania lub skrócą czas produkcji. Można zastosować dodatki odpadów po produkcji rolnej, ale też popioły po spaleniu lub po pirolizie. 

Czasami w literaturze naukowej pojawiają się informację o niewielkich próbkach badawczych wytworzonych w różnych warunkach. Przeskalowanie ich na potrzeby produkcyjne jest wtedy bardzo trudne. Nasza maszyna jest łatwiejsza do przeskalowania z wyników badań laboratoryjnych na technologię produkcyjną, ponieważ w pełnym zakresie działa na tej samej zasadzie, co urządzenia o dużych wymiarach.

Czym ona się różni od obecnych narzędzi, stosowanych do tworzenia alternatyw materiałowych, jak np. ferrocement albo beton konopny?

Polimery wymagają podgrzewania. W zależności od tego, jaki jest rodzaj tworzywa, to możemy uzyskać inne cechy właściwości np. cegły polimerowo-konopnej. Cement jest materiałem stosunkowo kruchym. Kompozyty polimerowe mają cechy materiałów bardzie elastycznych. Po przekroczeniu pewnej siły materiały cementowo-betonowe pękają, a tworzywo jeszcze wytrzymuje. Spoistość tego materiału jest na wyższym poziomie, ale jest jedna wada.

Jaka?

Wyroby z tworzywa polimerowego nie mogą mieć zbyt dużych grubości ścianek, bo powstają zapadnięcia i  nie uzyska się oczekiwanych wymiarów.  Tak ja przy wszystkich materiałach konstrukcyjnych w efekcie końcowym, trzeba zawsze szukać tych które mającej więcej zalet.

Więc macie potencjał, aby tworzyć także materiały budowlane.

Potencjał jest, ale nie na tej małej laboratoryjnej maszynie. Przedsiębiorcy najpierw przychodzą do nas i my na ich potrzeby rozwiązujemy zagadnienia badawcze związane z dostosowaniem ich maszyn w tym także do wytwarzania nowych elementów budowalnych.

Za to z użyciem waszych technologii.

Naszych pomysłów. Na Politechnice Lubelskiej w Katedrze Technologii i Przetwórstwa Tworzy Polimerowych zajmujemy się właśnie nowymi materiałami oraz innowacjami a także wdrażaniem ich w środowisku przemysłowym.

Ile zajmuje zbudowanie pełnowymiarowej maszyny dla klienta?

Myślę, że około pół roku.

Jeżeli klient przychodzi już z gotowymi materiałami i pomysłem?

Jeżeli mamy materiały, możemy je zbadać nawet w czasie 24 godzin. W ciągu dwóch tygodni możemy powiedzieć, czy warto z takim materiałem pracować, czy to tzw. "ślepy zaułek". Warto pamiętać, że produkty lub surowce które są obecnie niekorzystne finansowo, wizualnie lub mechanicznie, to jutro-pojutrze mogą być pożądane do jakiegoś celu.

I nie przetwarzacie odpadów komunalnych.

Jeśli będzie takie zlecenie, podejmiemy rękawicę.

Jednak?

Natomiast ze śmieci nie zrobi się wysokojakościowego produktu. Śmieci to śmieci. Jest na razie stosowany odzysk energetyczny, czyli spalanie, ale dotyczy to dużych systemów zagospodarowania odpadów. Niektóre materiały są tak skomplikowane, jeśli chodzi o ich skład, że nawet kiedy je segregujemy, mogą zawierać składniki wpływające negatywnie  na proces technologiczny i właściwości końcowe produktu.

Jak?

Poprzez wtrącenia. Nie chciałby pan, żeby takie wtrącenie było w miejscu konstrukcyjnym, na które działa największa siła, co powoduje właśnie w tym miejscu uszkodzenie mechaniczne. Dlatego takie wyroby trzeba świadomie projektować oraz wielokrotnie badać.

Czyli na razie nie, ale jesteście otwarci.

Jesteśmy otwarci na wszystkie rozwiązania, które są nowe dotyczą rozwiązań naukowych i technologicznych ponieważ taka jest rola naszej Katedry.

Jakie są więc plany na przyszłość z tą maszyną?

Z jednym przedsiębiorstwem, które chce już dziś z nami współpracować, mamy plan zrobić maszynę w większej skali. Wiele więcej nie mogę powiedzieć, ale mamy także inne rozwiązania i gotowe patenty do komercjalizacji.

A dużo większa ta skala?

To skala produkcyjna kompletnej linii technologicznej. Ponadto, w dalszym ciągu pracujemy nad modyfikacja układu uplastyczniającego, żeby go zrobić go pod różne materiały. 

Możemy powiedzieć, że będziemy mieszać polimer z różnymi frakcjami mineralnymi, np. po rozdrobnieniu materiałów budowlanych. Cegła czerwona, biała, suporex, każdy z nich będzie miał inne funkcje w produkcie końcowym.

Spodziewacie się, że wasze materiały staną się powszechne w Polsce?

Tego typu technologie muszą być rozwijane i będzie na nie rosło zapotrzebowanie na rynku. Współpracujemy też z producentami klasycznych maszyn i urządzeń. Namawiam ich od kilku lat, aby je przystosować do różnych materiałów, nie tylko tworzyw pierwotnych.

Już wykonanie prototypu z surowca czystego nie jest łatwym zadaniem. Na samym końcu są: kształt, wymiary, wymagania techniczne, cechy i właściwości docelowe… nawet ze znanego tworzywa trudno wstrzelić się w produkt, który będzie hitem rynkowym.

Pierwsze wyniki zobaczymy za pół roku?

Myślę, że tak. Współpraca nauki z biznesem jest bardzo ważna. Bez niego nasza praca nie ma racji bytu. Wymyślamy nowe rzeczy i kompozycje, ale w ilości 5-10 sztuk to nie jest hit. Jeśli zaś zaistniej możliwość współpracy z przedsiębiorstwem, które ma duża liczbę produktów, to jest nam łatwiej zrobić coś przygotowane na potrzeb konsumentów. Mamy też inne pomysły na wynalazki. Obserwujcie nas!