Kompozity z uhlíkových vlákien - príspevok k obehovému hospodárstvu - MLPD
Z Rote Fahne 42/2014: Odpoveď prof. Dr. Christian Jooß, univerzita v Göttingene, dva listy redaktorovi
V dvoch listoch pre redaktorov z Brém, ktoré sa zaoberajú otázkami „Rote Fahne“, čísla 24 a 35/2014, sa vyhlásenie hovorcu environmentálnej politiky pre MLPD vytýka, že plasty vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP) prispievajú k úsporám energie a bezpečnosti vozidiel. Čitateľ má pravdu, keď v dvoch článkoch kritizuje zjednodušenú a nekritickú prezentáciu. Keď píše: „Základným materiálom je uhlík, ale robíte veľkú chybu, ak si myslíte, že tieto cenné materiály sú vyrobené z uhlia. … Takéto vlákna nemôžu byť vyrobené z uhlia, iba zo surovej ropy “, kladie si však otázku, či CFRP môže skutočne mať dôležitú úlohu v budúcom obehovom hospodárstve.
Základy ľahkej konštrukcie sú staré ako život na zemi: rastliny nesú svoje kvety na „ľahkej stonke“ a stromy s kmeňmi z dreva dosahujú mimoriadne výšky a stabilitu proti vetru. Princíp spočíva v zabudovaní vlákien s vysokou pevnosťou do mäkšej matrice (vláknový kompozitný materiál). Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien (kompozity vynútené uhlíkovými vláknami: CFRP) sú založené na rovnakom princípe: uhlíkové vlákna vyrobené z čistého uhlíka sú tu uložené v matrici. V závislosti na požadovaných vlastnostiach sa na matricu používajú rôzne plasty, ako sú epoxidové živice, termoplasty alebo gumené elastické polyméry.
Kompozity z uhlíkových vlákien kombinujú nízku hmotnosť s vysokou pevnosťou, takže majú osobitný význam ako materiál na šetrenie energie v doprave (lietadlá, automobily, bicykle), pre veterné turbíny, v lekárskej technike alebo v strojárstve. Sú oveľa odolnejšie proti korózii ako kovy a majú obrovskú schopnosť absorbovať energiu v prípade nerovností a nehôd, čo zvyšuje bezpečnosť cestnej premávky.
Sú CFRP vyrobené z ropy?
V súčasnosti sú uhlíkové vlákna vyrobené prevažne z polyakrylonitrilu (PAN), ktorý sa energeticky náročným spôsobom vyrába z ropy pomocou etylénu. Alternatívne sa vyrábajú aj zo smoly, z dechtu podobnej hmoty, ktorá sa získava destiláciou ropy alebo živice. Už v roku 1880 Thomas Alva Edison ako prvý začal vyrábať uhlíkové vlákna pyrolýzou (tepelný rozklad chemických zlúčenín) z rastlinnej hmoty. Dnes je podiel vlákien získaných z čierneho uhlia nízky, aj keď existujú osvedčené postupy. Napríklad sa dajú získať z uhoľného dechtu, ktorý sa získava extrakciou koksu na výrobu ocele. Rôzne alternatívne procesy vyrábajú uhlíkové vlákna z uhoľného popola, z etanolu (prostredníctvom skvapalňovania uhlia) alebo priamo z uhlíka pomocou chemického nanášania pár. Čínski vedci nedávno zverejnili priamu metódu výroby z čierneho uhlia pomocou elektrolytického vylučovania. Rôzne procesy sa líšia v množstve energie, ktoré používajú, a existuje veľký potenciál pre ďalšie znižovanie spotreby energie prostredníctvom technických vylepšení.
Výroba plastov pre matricu
Materiály použité pre matricu, ako sú epoxidové živice alebo termoplasty, sa v súčasnosti prevažne získavajú z ropných produktov. Ich extrakcia z uhlia si vyžaduje vývoj procesov skvapalňovania a splyňovania uhlia, aby sa syntetizovali zodpovedajúce uhľovodíky. Takáto technológia bola vyvinutá napríklad v bývalej NDR v závodoch Buna. Za týmto účelom bol v dokumente „Rote Fahne“ 41/2014 vytlačený list redaktorovi od bývalého pracovníka spoločnosti Buna, ktorý ukazuje, ako sa v spoločnostiach Buna a Leuna „vyrábali všetky v tom čase bežne používané plasty na báze uhlia a karbidu“. Skvapalňovanie uhlia v NDR však bolo spojené s veľmi vysokou úrovňou znečistenia životného prostredia v chemickom trojuholníku Buna-Leuna-Bitterfeld a vysokou spotrebou energie. Obratom sa zabránilo plánom na prechod na ekologickejšie skvapalňovanie uhlia.
Pre budúcu obehovú ekonomiku je dnes nevyhnutný ďalší vývoj procesov chémie uhlia. Jedným z kľúčov je výroba vodíka z vody a slnečnej energie. To znamená, že uhľovodíky potrebné pre plasty sa dajú ťažiť z čierneho uhlia ekologickým spôsobom. Bolo by tiež možné vyrobiť epoxidové živice z rastlinných surovín, čo je však obmedzené dostupnou biomasou. Musí sa zabrániť jedovatým promótorom adhézie medzi uhlíkovými vláknami a matricou, ako sú aromatické uhľovodíky. Zlepšenie adhézie aktiváciou uhlíkového povrchu pomocou pary má jasnú výhodu pre ochranu životného prostredia a zdravia.
Úspora energie pomocou CFRP?
Spotreba energie vozidla alebo lietadla závisí priamo od jeho vlastnej hmotnosti. Použitie ľahkých materiálov ako je hliník alebo CFRP namiesto ocele môže prispieť k značným úsporám energie. Musí sa však vykonať celková energetická bilancia od výroby po použitie a recykláciu materiálu. Porovnanie s oceľou ukazuje, že pri použití v osobných a nákladných automobiloch ušetrí CFRP vďaka redukcii hmotnosti až 60 percent energie. Vzhľadom na vyššiu spotrebu energie v súčasných výrobných procesoch nafty je však celková úspora energie iba 10 percent, ako správne upozorňuje list redaktorovi. To znamená, že CFRP majú pri použití v automobiloch približne rovnakú celkovú spotrebu energie ako hliník. Naopak, použitie CFRP v lietadlách už dnes vedie k celkovej úspore energie o 25 až 35 percent v porovnaní s hliníkom, a to aj pri zohľadnení výrobného procesu. Je možné drasticky znížiť náklady na výrobu CFRP ďalším zlepšením výrobného procesu, napríklad lepšími katalyzátormi, zavedením recyklačného reťazca alebo prechodom na solárnu chémiu.
Nebezpečenstvo požiaru, životného prostredia a zdravia
Epoxidové živice použité ako matrica sú vysoko horľavé, pretože pri zahrievaní sa môžu uvoľňovať horľavé plyny. Preto je potrebné do nich pridať spomaľovače horenia. Doteraz používané halogénované uhľovodíky, ako je tetrabrómbisfenol-A, sú vysoko toxické. Alternatívami k životnému prostrediu sú zlúčeniny obsahujúce fosfor. Aj keď sa vyhnete toxickým prísadám, pri obrábaní CFRP alebo v prípade nehody môže vzniknúť zdravotné riziko pre pľúca z výsledného prachu z vlákien. Riziko závisí od dĺžky a priemeru vlákna. Dlhé vlákna s priemerom menším ako tri centimetre predstavujú zdravotné riziká podobne ako azbestóza. V porovnaní s azbestom však majú CFRP obrovské výhody: Sú menej krehké, takže je malá pravdepodobnosť štiepenia a priľnú k epoxidovej matrici, čo znamená, že sa dlhé kúsky vlákna neuvoľňujú z poveternostných vplyvov alebo mechanického obrusovania. Komplexné štúdie však stále chýbajú. Podľa prieskumu NDR existuje riziko rakoviny z produktov rozkladu, ktoré by sa pri nehodách s požiarmi nemali podceňovať. Príčinou sú nanočastice a kúsky vlákna, ktoré sa môžu uvoľniť v prípade požiaru.
V posledných rokoch boli vyvinuté recyklačné procesy pre CFRP založené na pyrolýze. Epoxidová matrica sa rozkladá, keď sa zahrieva v neprítomnosti vzduchu v pyrolýznom plyne, ktorý je horľavý, a uhlíkové vlákna sa získavajú. Tento proces však nie je úplne recyklovaný, pretože epoxid sa opätovne nepoužíva. Inžinieri v Sächsisches Textilforschungsinstitut (STFI) v Chemnitzi vyvinuli proces na spracovanie uhlíkových vlákien a na spracovanie recyklovaných vlákien na netkané textílie. Sú cenným východiskovým bodom pre materiály CFRP. V tejto oblasti je potrebný ďalší výskum.
„ Uhlie je príliš cenné na to, aby sa spaľovalo “
Tento slogan hnutia baníkov „Kumpel für AUF“ proti spaľovaniu uhlia zabíjajúcich podnebie je zameraný proti ničeniu zemského podnebia ťažobnými a energetickými monopolmi. Zároveň sa zameriava na ekologické využitie surového uhlia pre ďalšie generácie. Už dnes sa asi 29 percent celosvetovo vyťaženého uhlia používa rôznymi spôsobmi na výrobu materiálov ako je oceľ, cement, aktívne uhlie atď. Výroba CFRP materiálov z uhlia by tiež významne prispela k obehovému hospodárstvu, ak sa použijú a budú ďalej rozvíjať ekologické procesy.
Je však tiež zrejmé, že komplexné obehové hospodárstvo založené na princípe jednoty človeka a prírody nemožno dosiahnuť bojom za jednotlivé pokrokové technológie. Dnes je celý spôsob výroby medzinárodných monopolov založený na komplexnej deštrukcii jednoty človeka a prírody. Implementácia obehového hospodárstva vrátane pokrokových materiálov na báze uhlíka a založená na obnoviteľných energiách sa stala systémovou otázkou. Je nevyhnutné revolučným spôsobom prekonať jediné pravidlo medzinárodného finančného kapitálu. Iba zjednotené socialistické štáty sveta môžu usporiadať zmenu paradigmy so socialistickým spôsobom výroby, v ktorom sa dá aj čierne uhlie z dlhodobého hľadiska lepšie a lepšie používať v generáciách v jednote človeka a prírody.