Szénszálas kompozitok - hozzájárulás a körforgásos gazdasághoz - MLPD
Rote Fahne 42/2014: Prof. Dr. válasza Christian Jooß, Göttingeni Egyetem, két levélben a szerkesztőhöz
A "Rote Fahne" 24. és 35/2014. Számú, brémai olvasónak a szerkesztőhöz intézett két levelében az MLPD környezetvédelmi szakszóvivőjének nyilatkozatát bírálják, hogy a szénszál-erősítésű műanyagok (CFRP) hozzájárulnak az energiatakarékossághoz és a járművek biztonságához. Az olvasónak igaza van a két cikk egyszerűsített és kritikátlan előadásának kritikájával kapcsolatban. Amikor azt írja: „Az alapanyag szén, de nagy hibát követ el, ha úgy gondolja, hogy ezek az értékes anyagok szénből készülnek. … Ilyen szálakat nem lehet szénből előállítani, csak nyersolajból ”, de felveti a kérdést, hogy a CFRP valóban fontos szerepet játszhat-e a jövő körforgásos gazdaságában.
A könnyűszerkezet alapjai olyan régiek, mint a földi élet: a növények „könnyű száron” hordják virágaikat, a fából készült törzsű fák pedig rendkívüli magasságot és stabilitást érnek el a szél ellen. Az elv az, hogy a nagy szilárdságú szálakat puhább mátrixba (szálas kompozit anyagba) ágyazzák. A szénszálas kompozitok (szénszál-erõsített kompozitok: CFRP) ugyanazon az elven alapulnak: Itt a tiszta szénbõl készült szénszálak beágyazódnak egy mátrixba. A kívánt tulajdonságoktól függően különféle műanyagokat, például epoxigyantákat, hőre lágyuló műanyagokat vagy gumirugalmas polimereket használnak a mátrixhoz.
A szénszálas kompozitok ötvözik a kis súlyt a nagy szilárdsággal, így különösen fontosak a közlekedési ágazat (repülőgépek, autók, kerékpárok), a szélturbinák, az orvostechnika vagy a gépipar energia-megtakarításának anyagaként. Sokkal jobban ellenállnak a korróziónak, mint a fémek, és hatalmas képességgel képesek energiát felvenni ütközések és balesetek esetén, így fokozódik a közúti biztonság.
A CFRP nyersolajból készül?
Jelenleg a szénszálak túlnyomórészt poliakrilnitrilből (PAN) készülnek, amelyet energiaigényes módon állítanak elő nyersolajból etilénen keresztül. Alternatív megoldásként szurokból, kátrányszerű tömegből is készülnek, amelyet kőolaj vagy gyantás fák desztillálásával nyernek. Thomas Alva Edison már 1880-ban elsőként állított elő növényi anyagokból pirolízissel (kémiai vegyületek hőbontása) szénszálakat. Ma kicsi a szénből nyert szálak aránya, bár vannak bevált eljárások. Például kőszénkátrányból nyerhetők, amelyet kokszkivonással nyernek acélgyártáshoz. Különböző alternatív eljárások szénszálakat állítanak elő szénhamu, etanol (szén-cseppfolyósítás útján) vagy közvetlenül szénből, kémiai gőzfázisú leválasztással. Kínai tudósok a közelmúltban közzétettek egy közvetlen módszert keményszén előállításáról elektrodepozícióval. A különböző folyamatok különböznek az általuk felhasznált energia mennyiségétől, és nagy lehetőségek rejlenek az energiafelhasználás további csökkentésére technikai fejlesztések révén.
A mátrix műanyagainak gyártása
A mátrixhoz használt anyagokat, például epoxigyantákat vagy hőre lágyuló műanyagokat, jelenleg főleg kőolajtermékekből nyerik. A szénből való kivonáshoz szén-cseppfolyósítási és gázosítási folyamatok kidolgozása szükséges a megfelelő szénhidrogének szintetizálása érdekében. Ilyen technológiát fejlesztettek ki például a volt NDK-ban, a buna-i művekben. Ennek érdekében a „Rote Fahne” 41/2014 dokumentumban egy volt bunai dolgozó szerkesztőjének írt levelét nyomtatták, amely bemutatja, hogy Buna és Leuna esetében „az összes akkoriban általánosan használt műanyagot szén és karbid alapján állították elő”. A szén cseppfolyósítása az NDK-ban azonban a Buna-Leuna-Bitterfeld kémiai háromszög nagyon magas szintű környezetszennyezésével és nagy energiafelhasználással járt. A fordulat megakadályozta a környezetbarátabb széncseppfolyósításra való áttérés terveit.
A jövő körforgásos gazdaságához ma a szénkémiai folyamatok további fejlesztésére van szükség. Az egyik kulcs a hidrogén előállítása vízből és napenergiából. Ez azt jelenti, hogy a műanyagokhoz szükséges szénhidrogének környezetbarát módon kivonhatók a kőszénből. Növényi alapanyagokból is lehetne epoxigyantákat előállítani, de ezt a rendelkezésre álló biomassza korlátozza. Kerülni kell a szénszál és a mátrix közötti mérgező tapadást elősegítő anyagokat, például az aromás szénhidrogéneket. A tapadás javítása a szénfelület gőz általi aktiválásával egyértelműen előnyt jelent a környezet és az egészség védelme szempontjából.
Energiatakarékosság a CFRP révén?
A jármű vagy repülőgép energiafogyasztása közvetlenül függ a saját tömegétől. Az acél helyett könnyű anyagok, például alumínium vagy CFRP használata jelentős energiamegtakarítást eredményezhet. Azonban a teljes energiamérleget el kell végezni a gyártástól a felhasználásig és az anyag újrafeldolgozásáig. Az acél összehasonlítása azt mutatja, hogy a CFRP személygépkocsikban és teherautókban a súlycsökkentés miatt akár 60 százalékos energiamegtakarítást eredményez. A nyersolajból származó jelenlegi termelési folyamatok magasabb energiafogyasztása miatt azonban a teljes energia-megtakarítás csak 10 százalék, amire a szerkesztőhöz intézett levél helyesen rámutat. Ez azt jelenti, hogy a CFRP-k körülbelül ugyanolyan teljes energiafogyasztással rendelkeznek, mint az alumínium, ha autóban használják. Ezzel szemben a CFRP használata a repülőgépekben manapság már 25–35 százalékos összes energiamegtakarítást eredményez az alumíniumhoz képest, figyelembe véve a gyártási folyamatot is. A CFRP gyártásának költségeit drasztikusan csökkenteni lehet a gyártási folyamat további javításával, például jobb katalizátorok révén, újrahasznosító lánc létrehozásával vagy a napkémia felé történő áttéréssel.
Tűz, környezeti és egészségügyi veszélyek
A mátrixként használt epoxigyanták fokozottan tűzveszélyesek, mivel melegítve gyúlékony gázok szabadulhatnak fel. Ezért égésgátló anyagokat kell adni hozzájuk. Az eddig használt halogénezett szénhidrogének, például a tetrabróm-biszfenol-A erősen mérgezőek. A környezetbarát alternatívák a foszfort tartalmazó vegyületek. Még akkor is, ha kerülik a mérgező adalékanyagokat, a CFRP megmunkálásakor vagy baleset esetén a keletkező szálpor egészségügyi kockázatot jelenthet a tüdő számára. A kockázat a szál hosszától és átmérőjétől függ. A három centiméternél kisebb átmérőjű hosszú rostok az azbesztózishoz hasonlóan egészségügyi veszélyeket jelentenek. Az azbeszthez képest azonban a CFRP-k óriási előnyökkel járnak: kevésbé törékenyek, ezért kevés az esély a szétaprózódásra, és ragaszkodnak az epoximatrixhoz, ami azt jelenti, hogy az időjárás vagy a mechanikai kopás miatt hosszú rostdarabok nem szabadulnak fel. Átfogó tanulmányok még mindig hiányoznak. Az NDR kutatása szerint fennáll a bomlástermékekből eredő rák veszélye, amelyet nem szabad lebecsülni a tűzvész okozta baleseteknél. Ennek oka nanorészecskék és rostdarabok, amelyek tűz esetén felszabadulhatnak.
A CFRP pirolízison alapuló újrafeldolgozási folyamatait az elmúlt években fejlesztették ki. Az epoxi-mátrix bomlik, ha pirolízisgázban levegő hiányában hevítik, ami gyúlékony, és a szénszálak visszanyerik. Ez a folyamat azonban nem kerül teljesen újrafeldolgozásra, mivel az epoxit nem használják fel újra. A kemnitzi Sächsisches Textilforschungsinstitut (STFI) mérnökei kifejlesztettek egy eljárást a szénszálak feldolgozására és a visszanyert, újrahasznosított szálak nemszőtt szövetekké történő feldolgozására. Ezek értékes kiindulópontot jelentenek a CFRP anyagok számára. További kutatásokra van szükség ezen a területen.
" A szén túl értékes ahhoz, hogy elégessen "
A bányászok "Kumpel für AUF" mozgalmának ez a szlogenje az éghajlat-gyilkos szénégetés ellen irányul a föld éghajlatának a bányászati és energiamonopóliumok általi tönkretétele ellen. Ugyanakkor a szén nyersanyagának környezetbarát felhasználására irányul a jövő generációi számára. Ma már a világszerte bányászott szén körülbelül 29% -át különféle módon használják olyan anyagok előállítására, mint acél, cement, aktív szén stb. A CFRP anyagok szénből történő előállítása szintén jelentős mértékben hozzájárulna a körforgásos gazdasághoz, ha környezetbarát folyamatokat alkalmaznának és tovább fejlesztenének.
Ugyanakkor az is világossá válik, hogy az ember és a természet egységének elvén alapuló átfogó körforgásos gazdaság nem érhető el az egyes fejlett technológiákért folytatott küzdelemmel. Ma a nemzetközi monopóliumok teljes termelési módja az ember és a természet egységének átfogó megsemmisítésén alapul. A körkörös gazdaság megvalósítása, ideértve a fejlett szénalapú anyagokat és a megújuló energiákon alapulva, rendszerkérdéssé vált. Forradalmi módon kell leküzdeni a nemzetközi pénzügyi tőke egyetlen szabályát. Csak a világ egyesült szocialista államai szervezhetnek olyan szocialista termelési móddal rendelkező paradigmaváltást, amelyben a kemény szén egyre jobban felhasználható az ember és a természet egységében az generációk során.