Compozite din fibre de carbon - o contribuție la economia circulară - MLPD
Din Rote Fahne 42/2014: Răspunsul prof. Dr. Christian Jooß, Universitatea din Göttingen, pe două scrisori adresate editorului
În două scrisori adresate editorului de la un cititor din Bremen cu privire la problemele „Rote Fahne” 24 și 35/2014, declarația purtătorului de cuvânt al politicii de mediu pentru MLPD este criticată conform căreia materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP) contribuie la economisirea energiei și la siguranța vehiculelor. Cititorul are dreptate să critice o prezentare simplificată și necritică în cele două articole. Când scrie: „Materialul de bază este carbonul, dar faci o mare greșeală dacă crezi că aceste materiale valoroase sunt făcute din cărbune. ... Astfel de fibre nu pot fi făcute din cărbune, ci doar din țiței ”, dar ea ridică întrebarea dacă CFRP poate avea într-adevăr un rol important într-o viitoare economie circulară.
Bazele construcției ușoare sunt la fel de vechi ca viața pe pământ: plantele își poartă florile pe o „tulpină ușoară”, iar copacii cu trunchiuri din lemn ating înălțimi extraordinare și stabilitate împotriva vântului. Principiul este încorporarea fibrelor cu rezistență ridicată într-o matrice mai moale (material compozit din fibre). Compozitele din fibră de carbon (compozite impuse din fibră de carbon: CFRP) se bazează pe același principiu: Aici, fibrele de carbon realizate din carbon pur sunt încorporate într-o matrice. În funcție de proprietățile dorite, pentru matrice sunt utilizate diverse materiale plastice, cum ar fi rășini epoxidice, termoplastice sau polimeri cauciuc-elastici.
Compozitele din fibră de carbon combină greutatea redusă cu rezistența ridicată, astfel încât sunt de o importanță deosebită ca materiale pentru economisirea energiei în sectorul transporturilor (aeronave, mașini, biciclete), pentru turbine eoliene, în tehnologie medicală sau în inginerie mecanică. Acestea sunt mult mai rezistente la coroziune decât metalele și au o capacitate extraordinară de a absorbi energia în caz de umflături și accidente, astfel încât siguranța rutieră să crească.
CFRP sunt fabricate din țiței?
În prezent, fibrele de carbon sunt fabricate în principal din poliacrilonitril (PAN), care este produs într-o manieră consumatoare de energie din petrol prin etilenă. Alternativ, ele sunt fabricate și din pas, o masă asemănătoare gudronului care se obține din distilarea lemnului de petrol sau rășinoase. Încă din 1880, Thomas Alva Edison a fost primul care a produs fibre de carbon prin piroliză (descompunerea termică a compușilor chimici) din materie vegetală. Astăzi, proporția de fibre obținute din cărbune tare este redusă, deși există procese încercate și testate. De exemplu, pot fi obținute din gudronul de cărbune, care se obține din extracția cocsului pentru producția de oțel. Diverse procese alternative produc fibre de carbon din cenușă de cărbune, din etanol (prin lichefierea cărbunelui) sau direct din carbon folosind depunerea chimică a vaporilor. Oamenii de știință chinezi au publicat recent o metodă directă de producere a acestuia din cărbune tare folosind electrodepunerea. Diferitele procese diferă în ceea ce privește cantitatea de energie pe care o utilizează și există un mare potențial pentru reducerea în continuare a consumului de energie prin îmbunătățiri tehnice.
Fabricarea materialelor plastice pentru matrice
Materialele utilizate pentru matrice, cum ar fi rășinile epoxidice sau termoplastice, sunt obținute în prezent predominant din produse petroliere. Extragerea lor din cărbune necesită dezvoltarea proceselor de lichefiere și gazeificare a cărbunelui pentru a sintetiza hidrocarburile corespunzătoare. O astfel de tehnologie a fost dezvoltată, de exemplu, în fosta RDG din lucrările Buna. În acest scop, o scrisoare către editor a unui fost muncitor Buna a fost tipărită în „Rote Fahne” 41/2014, care arată cum în Buna și Leuna „toate materialele plastice utilizate în mod obișnuit la acea vreme erau fabricate pe bază de cărbune și carbură”. Cu toate acestea, lichefierea cărbunelui din RDG a fost asociată cu un nivel foarte ridicat de poluare a mediului în triunghiul chimic Buna-Leuna-Bitterfeld și un consum ridicat de energie. Planurile de tranziție către o lichefiere mai ecologică a cărbunelui au fost împiedicate de rotație.
Pentru o viitoare economie circulară, dezvoltarea în continuare a proceselor de chimie a cărbunelui este necesară astăzi. O cheie este producția de hidrogen din apă și energie solară. Aceasta înseamnă că hidrocarburile necesare pentru materialele plastice pot fi extrase din cărbune tare într-un mod ecologic. De asemenea, ar fi posibil să se producă rășini epoxidice din materii prime vegetale, dar acest lucru este limitat de biomasa disponibilă. Promotorii de adeziune otrăvitoare între fibra de carbon și matrice, cum ar fi hidrocarburile aromatice, trebuie evitate. Îmbunătățirea aderenței prin activarea suprafeței carbonului prin intermediul vaporilor de apă are un avantaj clar pentru protecția mediului și a sănătății.
Economie de energie prin CFRP?
Consumul de energie al unui vehicul sau aeronavă depinde direct de propria greutate. Utilizarea de materiale ușoare precum aluminiu sau CFRP în loc de oțel poate contribui la economii considerabile de energie. Cu toate acestea, trebuie realizat un bilanț energetic global de la producție până la utilizarea și reciclarea materialului. O comparație cu oțelul arată că atunci când este utilizat în mașini și camioane, CFRP economisește până la 60% din energie datorită reducerii greutății. Cu toate acestea, datorită consumului mai mare de energie în procesele actuale de producție din țiței, economia totală de energie este de doar 10%, așa cum subliniază pe bună dreptate scrisoarea cititorului. Aceasta înseamnă că CFRP-urile au aproximativ același consum total de energie ca aluminiul atunci când sunt utilizate în mașini. În schimb, utilizarea CFRP în aeronavele de astăzi conduce deja la economii totale de energie de 25 până la 35 la sută în comparație cu aluminiul, luând în considerare și procesul de fabricație. Este posibil să se reducă drastic costul fabricării CFRP prin îmbunătățiri suplimentare în procesele de producție, de exemplu prin catalizatori mai buni, prin stabilirea unui lanț de reciclare sau prin tranziția la chimia solară.
Pericole de incendiu, mediu și sănătate
Rășinile epoxidice utilizate ca matrice sunt extrem de inflamabile, deoarece gazele inflamabile pot fi eliberate atunci când sunt încălzite. Prin urmare, trebuie să li se adauge ignifuge. Hidrocarburile halogenate utilizate până acum, cum ar fi tetrabromobisfenol-A, sunt extrem de toxice. Alternativele ecologice sunt compușii care conțin fosfor. Chiar dacă se evită aditivii toxici, la prelucrarea CFRP sau în cazul unui accident, pot exista riscuri pentru sănătate pentru plămâni din praful de fibre rezultat. Riscul depinde de lungimea și diametrul fibrei. Fibrele lungi cu un diametru mai mic de trei centimetri prezintă pericole pentru sănătate, asemănătoare azbestozei. Comparativ cu azbestul, totuși, CFRP-urile au avantaje enorme: sunt mai puțin fragile, deci există puține șanse de a se splita și aderă la matricea epoxidică, ceea ce înseamnă că bucăți lungi de fibre nu sunt eliberate din cauza intemperiilor sau a abraziunii mecanice. Cu toate acestea, studiile cuprinzătoare încă lipsesc. Potrivit cercetărilor efectuate de NDR, există riscul de cancer cauzat de produsele de descompunere care nu ar trebui subestimate în accidente cu incendii. Cauza sunt nanoparticulele și bucățile de fibre care pot fi eliberate în caz de incendiu.
Procesele de reciclare pentru CFRP bazate pe piroliză au fost dezvoltate în ultimii ani. Matricea epoxidică se descompune atunci când este încălzită în absența aerului în gazul de piroliză, care este inflamabil, iar fibrele de carbon sunt recuperate. Cu toate acestea, acest proces nu este complet reciclat, deoarece epoxidicul nu este refolosit. Inginerii institutului Sächsisches Textilforschungsinstitut (STFI) din Chemnitz au dezvoltat un proces de prelucrare a fibrelor de carbon și de prelucrare a fibrelor reciclate recuperate în materiale nețesute. Acestea sunt un punct de plecare valoros pentru materialele CFRP. Sunt necesare cercetări suplimentare în acest domeniu.
" Cărbunele este mult prea valoros pentru a fi ars "
Acest slogan al mișcării minerilor „Kumpel für AUF” împotriva arderii de cărbune împotriva arderii climatului este îndreptat împotriva distrugerii climatului terestru de către monopolurile miniere și energetice. În același timp, este orientat către utilizarea ecologică a cărbunelui de materie primă pentru generațiile viitoare. În prezent, în jur de 29% din cărbunele dur extras la nivel mondial este utilizat într-o varietate de moduri pentru producerea de materiale precum oțelul, cimentul, cărbunele activ etc. Producția de materiale CFRP din cărbune ar aduce, de asemenea, o contribuție importantă la economia circulară dacă sunt utilizate și dezvoltate în continuare procese ecologice.
Totuși, devine clar că o economie circulară cuprinzătoare bazată pe principiul unității omului și naturii nu poate fi realizată prin lupta pentru tehnologii avansate individuale. Astăzi, întregul mod de producție al monopolurilor internaționale se bazează pe distrugerea cuprinzătoare a unității omului și naturii. Implementarea unei economii circulare, inclusiv materiale avansate pe bază de carbon și bazate pe energii regenerabile, a devenit o problemă de sistem. Este necesar să depășim singura regulă a capitalului financiar internațional într-un mod revoluționar. Doar statele socialiste unite ale lumii pot organiza o schimbare de paradigmă cu un mod de producție socialist în care chiar și cărbunele tare poate fi folosit din ce în ce mai bine în unitatea omului și a naturii de-a lungul generațiilor.