Nowatorskie biopochodne i nadające się do recyklingu kompozyty termoutwardzalne wzmocnione włóknami
Kompozyty termoutwardzalne wzmocnione włóknami (ang. fibre-reinforced thermoset composites, FRTC) to zróżnicowana grupa materiałów wykorzystywanych w wielu branżach. Wszystkie takie kompozyty powstają poprzez formowanie żywicy termoutwardzalnej wokół włókien strukturalnych. Najlepiej znane przykłady to włókno szklane i włókno węglowe. Elementy wykonane z FRTC są zazwyczaj lekkie i wytrzymałe, dzięki czemu można je wykorzystywać w wymagających zastosowaniach. Kompozyty FRTC nie są jednak materiałami przyjaznymi dla środowiska. Ponieważ nie istnieje praktyczny sposób na ich naprawę lub przetwarzanie, produkty z FRTC uznaje się za wyroby jednorazowego użytku, co prowadzi do problemów z odpadami. Negatywny wpływ na środowisko to nie jedyny problem: włókna i żywice wytwarza się z nieodnawialnych paliw kopalnych, a proces ten wymaga dużych ilości energii. Przemysł potrzebuje nowych, przetwarzalnych materiałów FRTC. Takie właśnie kompozyty udało się opracować zespołowi finansowanego ze środków UE projektu ECOXY. W 2014 roku hiszpański ośrodek badawczy Cidetec opatentował rodzinę termoutwardzalnych żywic i kompozytów. Charakteryzowały się one takimi samymi parametrami jak materiały obecnej generacji, ale można je było naprawiać, poddawać recyklingowi i przetwarzać – cechę tę opisuje się skrótem 3R (ang. repairable, recyclable, reprocessable). Zespół projektu ECOXY poszedł o krok dalej, wprowadzając nowe biopochodne żywice epoksydowe tworzące matrycę żywiczną 3R, która jest dodatkowo odnawialna. Jako materiału wzmacniającego użyto biopochodnych włókien, uzyskując kompozyty 3R. Są one bardziej przyjazne dla środowiska niż istniejące kompozyty i mogą z powodzeniem zastąpić wcześniejsze materiały FRTC. Projekt ECOXY otrzymał dofinansowanie ze Wspólnego Przedsięwzięcia na rzecz Bioprzemysłu – publiczno-prywatnej inicjatywy UE i przemysłu.
Nowa grupa żywic
Możliwość przetworzenia w dużej mierze wynika z zastosowania dynamicznego utwardzacza służącego do utrwalania biopochodnych żywic. Dynamika żywic pozwala na recykling z użyciem kombinacji kilku technik. Element z kompozytu FRTC można na przykład zmielić na małe kawałki lub proszek, z których następnie formuje się nowy kształt z zastosowaniem wysokiej temperatury i nacisku. Dynamiczną żywicę można też rozpuścić w rozpuszczalniku, dodając określony środek chemiczny, co pozwoli odzyskać i ponownie wykorzystać włókna. „Połączenie nowych żywic z dynamicznym utwardzaczem umożliwia naprawę mikropęknięć matrycy i uszkodzeń związanych z delaminacją”, wyjaśnia Aratz Genua, koordynatorka projektu. „Ponadto utwardzone laminaty można przetworzyć ponownie, by uzyskać nowe trójwymiarowe elementy”. Biologicznymi źródłami nowych żywic są między innymi lignina (budulec drewna), brunatnice i oleje roślinne. Stosując różne ich kombinacje, można uzyskać żywice o różnych własnościach. Włókna pozyskuje się z lnu lub termoplastycznego poliestru, jakim jest polilaktyd (PLA).
Badania w warunkach przemysłowych i dalsze prace rozwojowe
Najbardziej obiecujących żywic i włókien użyto w produkcie demonstracyjnym: panelu tylnym tylnego siedzenia samochodu marki Lancia Ypsilon (patrz fotografia powyżej). „Podczas eksploatacji w strukturze żywicy stanowiącej część kompozytu mogą pojawić się mikropęknięcia”, zauważa Genua. „Obecnie uszkodzonej w ten sposób części nie trzeba już wymieniać – można ją naprawić, stosując ciepło i nacisk”. Zespół projektu ECOXY osiągnął poziom gotowości technologicznej TRL 5, co oznacza, że opracowane rozwiązanie przeszło próby w środowisku przemysłowym. Produkcja i walidacja elementu demonstracyjnego przeznaczonego do samochodu marki Lancia zakończyły się powodzeniem. Nowymi materiałami zainteresowali się przedstawiciele przemysłu motoryzacyjnego. Jednak osiągnięcie gotowości do wprowadzenia na rynek wymagać będzie jeszcze sporo pracy. W szczególności nowe włókna na bazie lnu ustępują właściwościami włóknom szklanym i węglowym, w związku z czym nie można ich stosować w branżach zaawansowanych technologii. Niemniej jednak włókien lnianych można używać w mniej wymagających zastosowaniach. Zespół projektu zamierza zająć się dalszym rozwojem tych rozwiązań i zwiększyć poziom gotowości technologicznej.
Słowa kluczowe
ECOXY, żywica, biopochodny, przetwarzalny, kompozyt termoutwardzalny wzmocniony włóknami, utwardzacz, nadający się do recyklingu
