Композити з вуглецевого волокна - внесок у циркулярну економіку - MLPD
From Rote Fahne 42/2014: Відповідь професора доктора Крістіан Йос, університет Геттінгена, на два листи до редактора
У двох листах до читача в Бремені, присвячених виданням "Rote Fahne" 24 і 35/2014, заяву представника екологічної політики MLPD критикують, що армована вуглецевим волокном пластмаса (CFRP) сприяє економії енергії та безпеці транспортних засобів. Читач справедливо критикує спрощену та некритичну презентацію в двох статтях. Коли вона пише: «Основним матеріалом є вуглець, але ви робите велику помилку, якщо вважаєте, що ці цінні матеріали виготовляються із вугілля. ... Такі волокна не можна виготовляти з вугілля, лише з сирої нафти ", але вона порушує питання, чи може CFRP дійсно відігравати важливу роль у майбутній циркулярній економіці.
Основи полегшеного будівництва такі ж старі, як і життя на землі: рослини несуть свої квіти на «легкому стеблі», а дерева із стовбурами з дерева досягають надзвичайної висоти та стійкості проти вітру. Принцип полягає в тому, щоб вкладати волокна з високою міцністю в більш м’яку матрицю (волокнистий композитний матеріал). Композиційні матеріали з вуглецевого волокна (композити, що застосовуються на основі вуглецевих волокон: CFRP) засновані на тому ж принципі: тут вуглецеві волокна, виготовлені з чистого вуглецю, вбудовані в матрицю. Залежно від бажаних властивостей для матриці використовуються різні пластмаси, такі як епоксидні смоли, термопласти або еластичні полімери.
Композити з вуглецевого волокна поєднують низьку вагу з високою міцністю, так що вони мають особливе значення як матеріали для економії енергії в транспортному секторі (літаки, машини, велосипеди), для вітряних турбін, в медичній техніці або в машинобудуванні. Вони набагато стійкіші до корозії, ніж метали, і вони мають надзвичайну здатність поглинати енергію у разі ударів та аварій, завдяки чому безпека дорожнього руху підвищується.
Чи виготовляються CFRP з сирої нафти?
В даний час вуглецеві волокна переважно виготовляються з поліакрилонітрилу (ПАН), який енергоємним способом виробляється з нафти через етилен. Крім того, вони також виготовляються з смоли, смолеподібної маси, яка отримується при перегонці нафти або смолистих порід деревини. Уже в 1880 р. Томас Альва Едісон першим виробив вуглецеві волокна шляхом піролізу (термічного розкладання хімічних сполук) з рослинної речовини. Сьогодні частка волокон, отриманих з кам'яного вугілля, низька, хоча існують випробувані і перевірені процеси. Наприклад, їх можна отримати з кам'яновугільної смоли, яку отримують при видобутку коксу для виробництва сталі. Різні альтернативні процеси виробляють вуглецеві волокна з вугільної золи, з етанолу (шляхом зрідження вугілля) або безпосередньо з вуглецю за допомогою хімічного осадження парів. Нещодавно китайські вчені опублікували прямий спосіб його отримання з кам’яного вугілля за допомогою електроосадження. Різні процеси відрізняються кількістю енергії, яку вони використовують, і існує великий потенціал для подальшого зменшення споживання енергії за рахунок технічних удосконалень.
Виробництво пластмас для матриці
В даний час матеріали, що використовуються для матриці, такі як епоксидні смоли або термопласти, в даний час переважно отримують з нафтопродуктів. Їх видобуток із вугілля вимагає встановлення процесів зрідження та газифікації вугілля з метою синтезу відповідних вуглеводнів. Така технологія була розроблена, наприклад, у колишній НДР на заводах Буна. З цією метою в редакції “Rote Fahne” 41/2014 було надруковано лист до редактора колишнього працівника “Буни”, де показано, як у Буні та Леуні “всі пластмаси, які зазвичай використовувались на той час, виготовлялись на основі вугілля та карбіду”. Однак зрідження вугілля в НДР було пов'язане з дуже високим рівнем забруднення навколишнього середовища в хімічному трикутнику Буна-Леуна-Біттерфельд та великим споживанням енергії. Плани переходу до більш екологічного зрідження вугілля були запобігані поворотом.
Для майбутньої кругової економіки сьогодні необхідний подальший розвиток вуглехімічних процесів. Одним із ключових є виробництво водню з води та сонячної енергії. Це означає, що вуглеводні, необхідні для пластмас, можуть бути видобуті з кам’яного вугілля екологічно безпечним способом. Також можна було б одержувати епоксидні смоли з рослинної сировини, але це обмежується наявною біомасою. Слід уникати отруйних промоторів адгезії між вуглецевим волокном та матрицею, таких як ароматичні вуглеводні. Поліпшення адгезії шляхом активації вуглецевої поверхні за допомогою пари має очевидну перевагу для захисту навколишнього середовища та здоров'я.
Енергозбереження за допомогою CFRP?
Споживання енергії транспортного засобу чи літака безпосередньо залежить від його власної ваги. Використання легких матеріалів, таких як алюміній або CFRP замість сталі, може сприяти значній економії енергії. Однак загальний енергетичний баланс повинен бути виконаний від виробництва до використання та переробки матеріалу. Порівняння зі сталлю показує, що при використанні в легкових та вантажних автомобілях CFRP економить до 60 відсотків енергії завдяки зменшенню ваги. Однак через більш високе споживання енергії в поточних виробничих процесах сирої нафти загальна економія енергії становить лише 10 відсотків, як справедливо зазначає лист читача. Це означає, що CFRP мають приблизно однакове загальне споживання енергії, як алюміній, коли вони використовуються в автомобілях. На відміну від цього, використання CFRP у літаках вже призводить до загальної економії енергії від 25 до 35 відсотків порівняно з алюмінієм, враховуючи також виробничий процес. Можна різко знизити витрати на виробництво CFRP шляхом подальшого вдосконалення виробничих процесів, наприклад, за рахунок вдосконалення каталізаторів, створення ланцюга переробки або переходу на сонячну хімію.
Небезпека пожежі, навколишнього середовища та здоров'я
Епоксидні смоли, що використовуються в якості матриці, є легкозаймистими, оскільки при нагріванні можуть виділятися легкозаймисті гази. Тому до них потрібно додавати антипірени. Галогеновані вуглеводні, такі як тетрабромбісфенол-А, які до цього часу в основному використовувались, є високотоксичними. Екологічно чистими альтернативами є сполуки, що містять фосфор. Навіть якщо уникати токсичних добавок, при механічній обробці CFRP або у випадку аварії може виникнути небезпека для легенів від пилу волокон, що утворюється. Ризик залежить від довжини та діаметра волокна. Довгі волокна діаметром менше трьох сантиметрів створюють небезпеку для здоров'я, подібно до азбестозу. Однак у порівнянні з азбестом, CFRP мають величезні переваги: вони менш крихкі, тому існує невелика ймовірність розколювання і вони прилипають до епоксидної матриці, а це означає, що довгі шматки волокна не виділяються внаслідок вивітрювання або механічного стирання. Однак всебічних досліджень все ще бракує. Згідно з дослідженнями NDR, існує ризик раку від продуктів розпаду, який не слід недооцінювати в аваріях з пожежами. Причиною є наночастинки та шматки волокна, які можуть виділитися у разі пожежі.
В останні роки були розроблені процеси переробки CFRP на основі піролізу. Епоксидна матриця розкладається при нагріванні за відсутності повітря в піролізному газі, який є займистим, і вуглецеві волокна відновлюються. Однак цей процес не повністю перероблений, оскільки епоксидна смола не використовується повторно. Інженери Sächsisches Textilforschungsinstitut (STFI) в Хемніці розробили процес переробки вуглецевих волокон і переробки відновлених, перероблених волокон у неткані матеріали. Це цінна відправна точка для матеріалів CFRP. Потрібні подальші дослідження в цій галузі.
" Вугілля занадто цінне для спалення "
Це гасло шахтарського руху "Kumpel für AUF" проти спалення вугілля, що вбиває клімат, спрямоване проти руйнування клімату Землі гірничодобувними та енергетичними монополіями. Водночас воно спрямоване на екологічне використання сировинного вугілля для майбутніх поколінь. Вже сьогодні близько 29 відсотків кам'яного вугілля, що видобувається у всьому світі, використовується різними способами для виробництва таких матеріалів, як сталь, цемент, активоване вугілля тощо. Виробництво CFRP матеріалів із вугілля також внесе важливий внесок у циркулярну економіку, якщо використовуватимуть та розвиватимуть екологічно чисті процеси.
Однак стає також зрозумілим, що всебічної кругової економіки, заснованої на принципі єдності людини і природи, неможливо досягти, борючись за окремі передові технології. Сьогодні весь спосіб виробництва міжнародних монополій заснований на всебічному руйнуванні єдності людини і природи. Впровадження кругової економіки, що включає вдосконалені матеріали на основі вуглецю на основі відновлюваних джерел енергії, стало системним питанням. Необхідно подолати єдине правило міжнародного фінансового капіталу революційним шляхом. Тільки об’єднані соціалістичні держави світу можуть організувати зміну парадигми із соціалістичним способом виробництва, при якому навіть кам’яне вугілля може використовуватися все довше і краще в довгостроковій перспективі протягом поколінь в єдності людини і природи.