Skip to main content

Cost effective lignin-based carbon fibres for innovative light-weight applications

Article Category

Article available in the folowing languages:

Lekkie części samochodowe pochodzenia roślinnego mogą sprzyjać budowie bardziej ekologicznej branży motoryzacyjnej

Prawa fizyki mówią nam, że przesuwanie cięższego ciała wymaga włożenia większej pracy niż w przypadku ciała lżejszego. W praktyce oznacza to na przykład większe zużycie paliwa i zwiększone emisje, jeśli przesuwanym ciałem będzie samochód. Na szczęście dzięki nowatorskiej technologii przetwarzania jesteśmy w stanie przekształcać ligninę we włókna węglowe, co pozwoli nam na zwiększenie wytrzymałości lekkich materiałów kompozytowych przyszłości.

Transport i mobilność
Technologie przemysłowe

Przedstawiciele branży motoryzacyjnej poczynili dotychczas szereg kroków w kierunku zmniejszenia masy pojazdów, polegających głównie na zastępowaniu ciężkich elementów stalowych lekkimi elementami z tworzyw sztucznych i kompozytów. Powszechnie stosowane tworzywa sztuczne są niemal wszechobecne, natomiast kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi, które charakteryzują się wysoką wytrzymałością, pozwalającą na stosowanie ich nawet do produkcji elementów konstrukcyjnych, nadal są zbyt drogie, w związku z czym stosuje się je głównie w wysokiej klasy samochodach sportowych i bolidach wyścigowych. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu GreenLight powstała metoda przetwarzania pozwalająca na produkcję włókien węglowych z ligniny – taniego produktu ubocznego przemysłu celulozowo-papierniczego, co przyniesie korzyści zarówno obu branżom – celulozowo-papierniczej i motoryzacyjnej, jak i środowisku naturalnemu.

Marginalizacja paliw kopalnych na więcej niż jeden sposób

Według prognoz wartość światowego rynku włókien węglowych ma wzrosnąć z około 5 miliardów dolarów w 2019 roku do przeszło 13 miliardów dolarów w 2029 roku, między innymi za przyczyną sektora motoryzacyjnego, który jest najszybciej rozwijającą się branżą zastosowań końcowych pod względem wartości. Około 90 % ogółu wykorzystywanych włókien węglowych jest obecnie wytwarzane z syntetycznego prekursora – poliakrylonitrylu (PAN). PAN jest substancją pozyskiwaną w wyniku przetwarzania paliw kopalnych, natomiast produkcja włókien węglowych z tego materiału jest trudna i kosztowna. Opracowanie ekologicznej alternatywy mogłoby pozwolić na zmniejszenie naszej zależności od paliw kopalnych. Ponadto, jak wyjaśnia koordynatorka projektu Ewellyn Capanema: „Tanie włókna węglowe oparte na materiałach biologicznych pozwoliłyby na częstsze zastępowanie stali kompozytami z włókna węglowego w samochodach, co doprowadziłoby do zmniejszenia masy pojazdów oraz ogólnego zużycia paliwa, czego skutkiem byłoby również znaczące zmniejszenie emisji”. Lignina kraft to bogaty w węgiel biopolimer wytwarzany w ramach tak zwanego procesu Krafta, podczas którego drewno jest przetwarzane w masę celulozową. Mówiąc dokładniej, lignina może zostać wyizolowana w postaci stałej z tak zwanego czarnego ługu – produktu ubocznego, na który składają się pozostałości po odzyskaniu włókien celulozowych. W przeciwieństwie do PAN, przetwarzanie ligniny jest możliwe przy użyciu procesów formowania rotacyjnego z fazy stopionej lub wytłaczania na gorąco, które są dużo prostsze i tańsze niż przetwarzanie PAN przy pomocy procesu przędzenia z roztworu, który wymaga użycia, usuwania oraz odzyskiwania rozpuszczalników organicznych. Dotychczas nie istniały jednak metody pozwalające na przekształcanie ligniny we włókna węglowe na szeroką skalę w procesie formowania rotacyjnego z fazy stopionej.

Niech kręci się kołowrotek!

Zespół złożył wniosek patentowy na opracowany przez siebie nowatorski proces przetwarzania ligniny, który umożliwia ciągłe przędzenie oraz nawijanie materiału, a także automatyczną zmianę szpuli. „W ramach projektu GreenLight udało nam się zademonstrować proces ciągłego przędzenia wielu włókien ligniny (nawet do około 1 000) pozyskanej z drewna miękkiego w ramach procesu Krafta. Otrzymane w ten sposób włókna charakteryzują się najlepszymi dotychczas parametrami uzyskanymi w przypadku włókien węglowych z ligniny przetworzonej w procesie formowania rotacyjnego, natomiast sam proces przetwarzania jest szybszy, niż wynikałoby to z udostępnianych wcześniej informacji. Ze względu na swoje właściwości mechaniczne i powierzchniowe włókna węglowe na bazie ligniny mogą być stosowane do produkcji kompozytów wykorzystujących krótkie włókna, które charakteryzują się niższymi kosztami produkcji oraz szerokim zakresem zastosowań”, wyjaśnia Capanema.

Części samochodowe wytwarzane z roślin są tuż-tuż

Lignina kraft stanowi około 85 % ogółu ligniny wytwarzanej na świecie, natomiast technologia opracowana w ramach projektu GreenLight pozwala na szybkie i tanie przetwarzanie tego materiału na włókna węglowe na bazie ligniny. Biorąc pod uwagę fakt, że wartość rynku włókien węglowych ma ulec potrojeniu w ciągu najbliższego dziesięciolecia, zarówno przemysł leśny, jak i branża celulozowo-papiernicza mogą odnieść znaczące korzyści ze względu na wykorzystanie ligniny. Korzystne wyniki oceny techniczno-ekonomicznej oraz oceny cyklu życia rozwiązania GreenLight stawiają w jasnym świetle korzyści gospodarcze i środowiskowe wynikające z zastosowania włókien węglowych na bazie ligniny. W miarę prac nad komercjalizacją rozwiązania konsorcjum projektu GreenLight zbliża się wielkimi krokami do produkcji kompozytów zawierających włókna węglowe pochodzenia roślinnego, które już niedługo mogą trafić do lekkich samochodów jutra, charakteryzujących się minimalnymi śladami węglowymi.

Słowa kluczowe

GreenLight, węgiel, lignina, włókno węglowe, przędzenie, masa celulozowa, kraft, lekki, samochód, kompozyt, PAN, paliwo kopalne, motoryzacyjny, paliwo, emisje, tworzywo sztuczne, stal, szpula, miękkie drewno, włókno, poliakrylonitryl

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania