Композити от въглеродни влакна - принос към кръговата икономика - MLPD
От Rote Fahne 42/2014: Отговор от проф. Д-р Кристиан Йос, Университет в Гьотинген, на две писма до редактора
В две писма до редактора от читател в Бремен по въпроси „Rote Fahne“ 24 и 35/2014, изявлението на говорителя на екологичната политика на MLPD се критикува, че подсилените с въглеродни влакна пластмаси (CFRP) допринасят за спестяване на енергия и безопасност в автомобилите Читателят е прав да критикува опростено и некритично представяне в двете статии. Когато тя пише: „Основният материал е въглеродът, но правите голяма грешка, ако вярвате, че тези ценни материали са направени от въглища. ... Такива влакна не могат да бъдат направени от въглища, а само от суров нефт “, но тя повдига въпроса дали CFRP наистина може да има важна роля в бъдеща кръгова икономика.
Основите на леката конструкция са толкова стари, колкото и животът на земята: Растенията носят цветята си на „леко стъбло“, а дърветата със стволове от дърво достигат изключителни височини и стабилност срещу вятъра. Принципът е вграждането на влакна с висока якост в по-мека матрица (композитен материал от влакна). Композитите от въглеродни влакна (композити с въглеродни влакна: CFRP) се основават на същия принцип: Тук въглеродните влакна от чист въглерод са вградени в матрица. В зависимост от желаните свойства за матрицата се използват различни пластмаси като епоксидни смоли, термопласти или гумено-еластични полимери.
Композитите от въглеродни влакна съчетават ниско тегло с висока якост, така че те са от особено значение като материали за спестяване на енергия в транспортния сектор (самолети, автомобили, велосипеди), за вятърни турбини, в медицинската техника или в машиностроенето. Те са далеч по-устойчиви на корозия от металите и имат огромна способност да абсорбират енергия в случай на неравности и аварии, така че да се повиши безопасността на пътя.
CFRP се произвеждат от суров нефт?
Понастоящем въглеродните влакна се произвеждат предимно от полиакрилонитрил (PAN), който се произвежда по енергоемък начин от суров нефт чрез етилен. Като алтернатива, те също са направени от смола, подобна на катран маса, която се получава от дестилацията на петролни или смолисти гори. Още през 1880 г. Томас Алва Едисон е първият, който произвежда въглеродни влакна чрез пиролиза (термично разлагане на химични съединения) от растителни материали. Днес делът на влакната, получени от твърди въглища, е нисък, въпреки че има изпитани и изпитани процеси. Например те могат да бъдат получени от катран от въглища, който се получава от екстракция на кокс за производство на стомана. Различни алтернативни процеси произвеждат въглеродни влакна от въглищна пепел, от етанол (чрез втечняване на въглища) или директно от въглерод, използвайки химическо отлагане на пари. Китайски учени наскоро публикуваха директен метод за производството му от твърди въглища с помощта на електроосаждане. Различните процеси се различават по количеството енергия, която използват, и има голям потенциал за по-нататъшно намаляване на потреблението на енергия чрез технически подобрения.
Производство на пластмаси за матрицата
Понастоящем материалите, използвани за матрицата, като епоксидни смоли или термопласти, се получават предимно от петролни продукти. Тяхното извличане от въглища изисква установяване на процеси на втечняване и газификация на въглищата, за да се синтезират съответните въглеводороди. Такава технология е разработена например в бившата ГДР в заводите на Буна. За тази цел в „Rote Fahne” 41/2014 е отпечатано писмо до редактора от бивш работник на Buna, което показва как в Buna и Leuna „всички пластмаси, често използвани по това време, са произведени на базата на въглища и карбид”. Втечняването на въглищата в ГДР обаче е свързано с много високо ниво на замърсяване на околната среда в химическия триъгълник Буна-Леуна-Битерфелд и голям разход на енергия. Плановете за преход към по-екологично втечняване на въглища бяха предотвратени от обрата.
За бъдеща кръгова икономика днес е необходимо по-нататъшното развитие на процесите на въглищна химия. Един от ключовите фактори е производството на водород от вода и слънчева енергия. Това означава, че въглеводородите, необходими за пластмасите, могат да бъдат извлечени от твърди въглища по екологичен начин. Би било възможно също да се произвеждат епоксидни смоли от растителни суровини, но това е ограничено от наличната биомаса. Трябва да се избягват отровни стимулатори на адхезия между въглеродните влакна и матрицата, като ароматни въглеводороди. Подобряването на адхезията чрез активиране на въглеродната повърхност чрез пара има явно предимство за опазване на околната среда и здравето.
Икономия на енергия чрез CFRP?
Консумацията на енергия на превозно средство или самолет зависи пряко от собственото му тегло. Използването на леки материали като алуминий или CFRP вместо стомана може да допринесе за значителни икономии на енергия. Трябва обаче да се извърши цялостен енергиен баланс от производството до използването и рециклирането на материала. Сравнението със стоманата показва, че когато се използва в леки и товарни автомобили, CFRP спестява до 60% енергия поради намаляването на теглото. Въпреки това, поради по-високата консумация на енергия в текущите производствени процеси от суров нефт, общата икономия на енергия е само 10 процента, както правилно се посочва в писмото до редактора. Това означава, че CFRP имат приблизително същото потребление на енергия като алуминия, когато се използват в автомобили. За разлика от това, използването на CFRP в самолетите днес вече води до обща икономия на енергия от 25 до 35 процента в сравнение с алуминия, също като се вземе предвид производственият процес. Възможно е драстично да се намалят разходите за производство на CFRP чрез допълнителни подобрения в производствения процес, например чрез по-добри катализатори, чрез създаване на верига за рециклиране или чрез преход към слънчева химия.
Опасности от пожар, околна среда и здраве
Епоксидните смоли, използвани като матрица, са лесно запалими, тъй като при нагряване могат да се отделят запалими газове. Следователно към тях трябва да се добавят забавители на горенето. Използваните досега халогенирани въглеводороди, като тетрабромобисфенол-А, са силно токсични. Екологични алтернативи са съединения, съдържащи фосфор. Дори ако се избягват токсични добавки, при обработката на CFRP или в случай на авария може да възникнат рискове за здравето на белите дробове от получения прах от влакна. Рискът зависи от дължината и диаметъра на влакното. Дългите влакна с диаметър по-малък от три сантиметра представляват опасност за здравето, подобно на азбестозата. В сравнение с азбеста обаче CFRP имат огромни предимства: Те са по-малко чупливи, така че има малък шанс да се натрошат и те се придържат към епоксидната матрица, което означава, че дълги парчета влакна не се освобождават от атмосферни влияния или механично износване. Все още обаче липсват всеобхватни проучвания. Според изследванията на NDR съществува риск от рак от продуктите на разлагането, който не бива да се подценява при аварии с пожари. Причината са наночастици и парчета влакна, които могат да се отделят в случай на пожар.
Процесите за рециклиране на CFRP, базирани на пиролиза, са разработени през последните години. Епоксидната матрица се разлага при нагряване в отсъствието на въздух в пиролизен газ, който е запалим, и въглеродните влакна се възстановяват. Този процес обаче не се рециклира напълно, тъй като епоксидът не се използва повторно. Инженерите от Sächsisches Textilforschungsinstitut (STFI) в Chemnitz са разработили процес за обработка на въглеродни влакна и за преработка на възстановените, рециклирани влакна в нетъкан текстил. Това са ценна отправна точка за CFRP материали. Необходими са допълнителни изследвания в тази област.
" Въглищата са твърде ценни за изгаряне "
Този лозунг на движението на миньорите "Kumpel für AUF" срещу изгарянето на въглища, убиващо климата, е насочено срещу унищожаването на земния климат от минните и енергийните монополи. В същото време тя е насочена към екологосъобразно използване на суровините за следващите поколения. Вече днес около 29% от добива на твърди въглища по света се използва по различни начини за производството на материали като стомана, цимент, активен въглен и др. Производството на CFRP материали от въглища също би имало важен принос за кръговата икономика, ако се използват и доразвият екологично чисти процеси.
Също така става ясно, че всеобхватна кръгова икономика, основана на принципа на единството на човека и природата, не може да бъде постигната чрез борба за индивидуални модерни технологии. Днес целият начин на производство на международните монополи се основава на всеобхватното разрушаване на единството на човека и природата. Прилагането на кръгова икономика, включваща усъвършенствани материали, базирани на въглерод и базирани на възобновяеми енергийни източници, се превърна в системен проблем. Необходимо е да се преодолее единственото правило на международния финансов капитал по революционен начин. Само обединените социалистически държави по света могат да организират промяна на парадигмата със социалистически начин на производство, при който дори твърдите въглища могат да се използват все по-добре и по-дълго в дългосрочен план през поколенията в единството на човека и природата.