Tworzenie wytrzymałych bioplastików kompozytowych z myślą o ich łatwiejszym demontażu
Kompozyty termoutwardzalne są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań wymagających użycia materiałów, które wytrzymują znaczące obciążenia mechaniczne i termiczne. Należą do nich między innymi elementy konstrukcyjne statków powietrznych i turbin wiatrowych. Materiały te zawdzięczają swoją wytrzymałość unikalnej strukturze, która wynika z połączenia termoutwardzalnej osnowy polimerowej i włókien wzmacniających, zazwyczaj szklanych lub węglowych. Po nieodwracalnym procesie „utwardzenia” ta trójwymiarowa usieciowana struktura nadaje produktom wytrzymałość i sztywność, przy czym pozwala zachować ich kształt i zapobiega topnieniu. Niestety, produkcja tych kompozytów opiera się na surowcach kopalnych, co czyni je potencjalnie toksycznymi. Kolejną ich wadą jest fakt, że nie poddają się łatwo recyklingowi, zaś według szacunków roczne odpady kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym i szklanym z samego tylko przemysłu lotniczego i turbin wiatrowych mają wynieść 840 300 ton do roku 2050. „Dostępne techniki recyklingu zwykle albo pochłaniają ogromną ilość energii, a co za tym idzie są kosztowne i niezrównoważone, albo znacznie pogarszają jakość materiałów, ograniczając zakres ich późniejszego zastosowania. Co więcej, metody te często koncentrują się na odzyskiwaniu wartościowych włókien, jednocześnie odrzucając osnowę polimerową, co ogranicza możliwości ponownego wykorzystania”, wyjaśnia Laura Matesanz z hiszpańskiej Fundacji Cidaut, koordynatorka projektu ESTELLA. Chcąc zaoferować bardziej zrównoważoną alternatywę, zespół projektu ESTELLA postanowił wykorzystać biopochodne, nadające się do recyklingu kowalencyjne sieci adaptowalne (ang. covalent adaptive networks, CAN), aby za ich pomocą przeprojektować usieciowaną strukturę tradycyjnych materiałów termoutwardzalnych.
Podejście „CAN-do”
Pierwszym wyzwaniem stojącym przed konsorcjum projektu ESTELLA, złożonym z 13 instytucji badawczych i przedsiębiorstw z 8 krajów europejskich, było wprowadzenie CAN do żywic epoksydowych w celu utworzenia termoutwardzalnych trójwymiarowych osnów. Materiały CAN okazały się doskonałym wyborem, ponieważ te struktury polimerowe składają się z wiązań chemicznych, które pod wpływem określonych bodźców, jak np. temperatura, światło UV lub zmiany kwasowości, mogą się łamać lub dostosowywać kształt, co oznacza, że można nimi łatwiej manipulować zarówno podczas produkcji, jak i recyklingu. Pierwszym etapem było zastosowanie reakcji Dielsa-Aldera do „odblokowania” wiązań chemicznych w sieciach CAN i zintegrowania ich z żywicami epoksydowymi. Kolejnym zadaniem było znalezienie najbardziej kompatybilnych biopochodnych włókien odpowiednich do wytworzenia osnów. Po przeanalizowaniu wielu różnych opcji zespół postawił na włókna konopne i nanocelulozę. Z myślą o zapewnieniu poprawnej konfiguracji materiałów powstałe kompozyty wyprodukowano w postaci serii płyt i poddano szeregowi testów, aby zadbać o odpowiednie właściwości, takie jak wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność. Aby sprawdzić, jak materiały te poradzą sobie w rzeczywistych przypadkach użycia, zespół obecnie pracuje nad prototypami, które będą początkowo służyć do zastosowań w sektorze mobilności i budownictwie. Obecnie w procesie produkcji znajduje się podnóżek do hulajnogi, w którym wykorzystano kompozyt z włókien konopnych, oraz profil okienny zawierający kompozyt na bazie włókien nanocelulozowych. W poszukiwaniu optymalnych metod recyklingu zespół dostosowuje też różne istniejące już techniki. Mimo że prace koncentrują się głównie na metodach chemicznych umożliwiających modyfikację struktury molekularnej kompozytów, przedmiotem badań jest również recykling mechaniczny. „Jako że zachowanie oryginalnych właściwości mechanicznych i termicznych materiałów pochodzących z recyklingu sprawia, że lepiej nadają się one do ponownego wykorzystania, dopracowujemy nasze techniki recyklingu w sposób, który pozwoli na zachowanie włókien i osnowy polimerowej”, dodaje Matesanz.
Zrównoważony rozwój i konkurencyjność
Wprowadzenie na rynek nadających się do recyklingu biokompozytów termoutwardzalnych przyczyni się do zmniejszenia zależności Europy od pierwotnych zasobów kopalnych, przy jednoczesnym znaczącym ograniczeniu odpadów, co wesprze ważne unijne inicjatywy, takie jak Europejski Zielony Ład i Plan działania dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym. Z myślą o ilościowym określeniu znaczenia projektu ESTELLA dla ochrony środowiska zespół przeprowadzi analizy cyklu życia swojego rozwiązania pod kątem wpływu na zmianę klimatu, wyczerpywanie się zasobów kopalnych i zakwaszenie gleby w porównaniu z konwencjonalnymi procesami. Przeprowadzone zostaną również studia wykonalności ekonomicznej, w tym dotyczące skalowalności wymaganych procesów produkcji i recyklingu. „Udostępnienie europejskim sektorom, takim jak transport i budownictwo, oferty bardziej zrównoważonych materiałów zaowocuje stosowaniem w większej mierze odpowiedzialnych praktyk przemysłowych. Nie tylko pozwoli to na tworzenie produktów, które przyniosą korzyści ludziom i planecie, ale także pomoże europejskim firmom stanąć w pierwszym szeregu globalnych działań na rzecz zielonej transformacji”, mówi Matesanz.
Słowa kluczowe
ESTELLA, polimer, włókna, turbina, statek powietrzny, termoutwardzalny, recykling, kompozyty, odpady, żywica epoksydowa, konopie, nanoceluloza, biopochodne, hulajnoga, okno
