Przełom w recyklingu włókien węglowych przynosi korzyści przemysłowi
Polimery wzmacniane włóknem węglowym to materiały kompozytowe szeroko stosowane w wielu sektorach inżynieryjnych, przede wszystkim przez producentów statków powietrznych i kosmicznych. Są one także używane w innych branżach, w których preferowana jest wytrzymałość połączona z niską masą, takich jak produkcja wysokiej jakości artykułów sportowych i części samochodowych. „Ogólnie rzecz biorąc, osnowy polimerowe są stosunkowo mało wytrzymałe”, wyjaśnia Marc Martín z hiszpańskiej firmy Leitat, kierownik naukowy projektu CUSTOMISIZE. „Wzmocnienie polimerów sztywniejszymi włóknami węglowymi znacznie zwiększa wytrzymałość finalnego kompozytu, nie wpływając negatywnie na jego masę”.
Wyzwanie związane z recyklingiem
Podatność na recykling to istotna kwestia. Ponad 30 % wszystkich wyprodukowanych włókien węglowych trafia na śmietnik – albo jako odpady produkcyjne, albo jako część wycofanych z eksploatacji elementów. Jeśli można by temu zapobiec, byłaby to ogromna korzyść środowiskowa i ekonomiczna dla energochłonnych sektorów, takich jak lotnictwo. Jednym z największych wyzwań pozostaje jednak pozyskiwanie drogą recyklingu włókien węglowych, które będą miały takie same własności mechaniczne jak włókna pierwotne. „Wytrzymałość każdego materiału kompozytowego jest ściśle powiązana z adhezją osnowy i wzmacniającego ją włókna”, mówi Martín. „Ilość tlenu dostępnego na powierzchni włókien węglowych pochodzących z recyklingu jest zwykle ponadczterokrotnie mniejsza niż w przypadku włókien pierwotnych – a to prowadzi do zmniejszenia adhezji”. Techniczne rozwiązanie tego problemu jest niezwykle złożone, a przemysł wymaga materiałów o najwyższej jakości, w związku z czym użycie materiałów pochodzących z recyklingu nie jest akceptowane w zaawansowanych zastosowaniach, takich jak konstrukcja statków powietrznych.
Korzyści dla przemysłu
Aby rozwiązać te problemy, zespół projektu CUSTOMISIZE skupił się na wskazaniu i opracowaniu nowych procesów i metod odzyskiwania używanych włókien węglowych. Badacze zamierzali także poprawić adhezję włókien węglowych i polimerowej osnowy poprzez pokrycie każdego włókna jednorodną cienką powłoką w czasie jego produkcji (tzw. preparacja powierzchniowa). „Najpierw przeprowadziliśmy przegląd bieżącej literatury naukowej dotyczącej obróbki powierzchni włókien węglowych”, mówi Martín. „Bazując na aktualnym stanie wiedzy, opracowaliśmy następnie kilka procesów nakładania powłok przystosowanych do różnych osnów polimerowych”. Kolejnym etapem było wytworzenie wzmocnionych kompozytów z wykorzystaniem włókien węglowych z recyklingu i nowo opracowanych technik preparacji powierzchniowej. Materiał z recyklingu pozyskano z zastosowaniem dwóch różnych procesów – termolizy z parą wodną oraz pirolizy. Na koniec przeprowadzono badania mechaniczne kompozytów, by porównać skuteczność poszczególnych powłok. Projekt potwierdził, że uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych w przypadku włókien węglowych z recyklingu nadal pozostaje wyzwaniem. Pomimo tych trudności dokonano kilku istotnych odkryć. Na przykład niektóre włókna węglowe odzyskane z użyciem pirolizy cechowały się lepszymi właściwościami mechanicznymi niż materiał pozyskany drogą termolizy z parą wodną. Poczyniono też postępy w zakresie doskonalenia metod nakładania powłok na włókna węglowe. „Kolejnym krokiem będzie zwiększenie skali procesów preparacji powierzchniowej i przeniesienie ich z laboratorium do zakładu pilotażowego”, dodaje Martín. „Dzięki temu będziemy w stanie zademonstrować więcej potencjalnych zastosowań końcowych, takich jak samochodowe deski rozdzielcze i artykuły sportowe”. Sektor lotniczy – jedno z najszybciej rosnących źródeł emisji gazów cieplarnianych – pozostanie najważniejszym potencjalnym rynkiem. Włókna węglowe pozwalają zmniejszyć masę statku powietrznego i zużycie paliwa, dlatego przemysł lotniczy jest największym konsumentem tych materiałów. „W ciągu następnych 20 lat zakończy się okres eksploatacji około 12 000 statków powietrznych”, zauważa Martín. „Obecnie nie dysponujemy procesem pozwalającym na wydajny recykling wartościowych elementów wzmacnianych włóknem węglowym. Mamy nadzieję, że rezultaty badań i wnioski wyciągnięte z projektu CUSTOMISIZE pozwolą opracować w przyszłości bardziej skuteczne i rentowne procesy recyklingu takich włókien”.
Słowa kluczowe
CUSTOMISIZE, węgiel, polimery, lotnictwo, inżynieria, podatność na recykling, statek powietrzny
