Dla samolotów i pociągów Naukowcy opracowują kompozyt włóknisty nadający się do recyklingu 

Samoloty i pociągi pasażerskie muszą spełniać surowe wymogi bezpieczeństwa. Wymaga to zastosowania materiałów, które są trudnopalne, lekkie, wytrzymałe i skalowalne. Naukowcy z Empa we współpracy z partnerem przemysłowym, firmą Elantas, po raz pierwszy stworzyli taki materiał kompozytowy, który w całości nadaje się do recyklingu.

„Żadna maszyna latająca nigdy nie poleci z Nowego Jorku do Paryża” – powiedział kiedyś pionier lotnictwa Orville Wright. To, co nawet dla wizjonerskich braci Wright wydawało się niemożliwe, dziś jest rzeczywistością – między innymi dzięki nowym materiałom, które w ogóle umożliwiają powstanie nowoczesnych samolotów i silników. 

W ciągu ponad 100 lat, które upłynęły od pierwszych prób lotniczych braci Wright, lotnictwo stało się nie tylko bardziej wydajne, ale – na szczęście – także znacznie bezpieczniejsze. Materiały wykorzystywane do budowy samolotów muszą spełniać najsurowsze wymogi bezpieczeństwa, w tym również w zakresie ochrony przeciwpożarowej. Jednocześnie muszą być lekkie i wytrzymałe mechanicznie – a także, w coraz większym stopniu, nadające się do recyklingu.

Połączenie wszystkich tych właściwości w jednym materiale stanowi wyzwanie. „Na przykład, gdy nadaje się materiałowi właściwości ognioodporne, zawsze zmienia się przy tym również jego pozostałe właściwości” – wyjaśnia Sabyasachi Gaan, naukowiec z Empa pracujący w laboratorium Advanced Fibers.  

Materiał kompozytowy z włókien, trudnopalny i nadający się do recyklingu

Gaan i jego zespół podjęli to wyzwanie wspólnie z partnerem przemysłowym Elantas, należącym do niemieckiego koncernu Altana zajmującego się chemikaliami specjalistycznymi, w ramach projektu wspieranego przez Innosuisse. Skupili się przy tym na konkretnym materiale kompozytowym, który jest wykorzystywany do wykończenia wnętrz samolotów i pociągów, na przykład do wykonania podłogi kabiny pasażerskiej.

Materiał ten ma budowę wielowarstwową typu „sandwich”. W środku znajduje się struktura plastra miodu wykonana z aramidu, czyli tworzywa sztucznego odpornego na wysoką temperaturę. Ten stabilny, lekki rdzeń jest pokryty od góry i od dołu kilkoma płasko tkanymi warstwami z włókien szklanych lub węglowych. Jako spoiwo służy żywica epoksydowa, podobnie jak w przypadku wielu materiałów kompozytowych. Zazwyczaj polimer ten nie nadaje się do recyklingu ani chemicznego, ani termicznego. „Materiały kompozytowe z żywicą epoksydową trafiają obecnie na wysypiska śmieci lub są spalane” – mówi Gaan.

Właśnie w tym zakresie naukowcy z Empa mają asa w rękawie. Opracowali dodatek do żywicy epoksydowej, który sprawia, że materiał ten staje się trudnopalny – a jednocześnie nadaje się do recyklingu. Jeśli podczas produkcji do żywicy epoksydowej doda się tę cząsteczkę zawierającą fosfor, po utwardzeniu można ją w określonych warunkach ponownie zmiękczyć i uformować – jest to tzw. recykling termomechaniczny (ramka z FAQ), co dotychczas było niemożliwe w przypadku żywicy epoksydowej.

Odzyskano wszystkie elementy

W ramach projektu Innosuisse partnerzy dążyli jednak do innego celu: całkowitego recyklingu materiału kompozytowego. Przy użyciu odpowiedniego rozpuszczalnika i niewielkiej ilości ciepła można rozłożyć ten materiał warstwowy na poszczególne składniki: strukturę plastra miodu i tkane włókna. 

Szczególnie plastry aramidowe, ale także włókna węglowe, są stosunkowo drogie. Ich recykling jest zatem również atrakcyjny z ekonomicznego punktu widzenia. „Zasadniczo możliwe jest również odzyskanie samej żywicy epoksydowej z roztworu. Chcemy zająć się tym w przyszłych projektach” – powiedział Gaan.

Ta nadająca się do recyklingu żywica epoksydowa została opracowana w Empa. We współpracy z firmą Elantas naukowcy po raz pierwszy zbadali jej potencjał w zakresie zastosowań przemysłowych. „Nasz materiał spełnia przepisy przeciwpożarowe i osiąga niemal takie same korzystne właściwości mechaniczne jak zwykła żywica epoksydowa” – mówi Gaan. Pozwala on jednak po raz pierwszy na całkowity recykling tego materiału kompozytowego.

Interesujące również dla branży budowlanej i sektora energetycznego

Partnerzy projektu są zadowoleni z jego przebiegu. Kolejnym krokiem jest dalsze zwiększanie skali produkcji i recyklingu. „Dla przemysłu lotniczego kluczowe znaczenie ma połączenie ochrony przeciwpożarowej, lekkości konstrukcji i możliwości recyklingu. Ten system kompozytów epoksydowych pokazuje, że po raz pierwszy jest to możliwe” – mówi Fiorenzo Lenzi, kierownik linii produktów Aerospace/Ballistic w firmie Elantas.

Jednocześnie Gaan wraz ze swoim zespołem prowadzi już badania nad kolejnymi zastosowaniami tego nadającego się do recyklingu, trudnopalnego tworzywa sztucznego, na przykład w sektorze energetycznym i budownictwie. Naukowiec podkreśla, że to, iż materiał ten osiągnął tak daleko, zawdzięcza się również badaniom podstawowym. „Zanim będziemy mogli pracować nad zastosowaniami, musimy bardzo dobrze zrozumieć właściwości materiału”.