Kompozity s bioplnivy – úspěšné řešení z České republiky

(podpořeno TA ČR, 2011 - 2014)

Technická univerzita v Liberci a společnost Magna spojily své síly k využití přírodních vláken při výrobě plastových komponentů. Cílem projektu je aplikace přírodních materiálů, zlepšení vlastností, snížení ceny kompozitních materiálů a zátěže životního prostředí.

Vysušená hlína s kousky slámy – a vznikl materiál s neuvěřitelně velkou pevností, kterou bychom dnešními přístroji změřili na 7 megapascalů. Pro srovnání současný moderní beton má pevnost od 10 do 16 megapascalů. Jenže tento materiál se zrodil – podle dochovaných pramenů – již přibližně 800 let před naším letopočtem. Mongolské laminované luky, podstatná součást tatarských nájezdů – vyrobené kombinací dřeva a vláken – měly fascinující dostřel 300 metrů. Legendární vysoce kvalitní Damascenská ocel (pojmenovaná podle syrského města Damašek, přes který byla dříve zejména z Indie dovážena) – vznikla kombinací nízkouhlíkové a vysokouhlíkové oceli.

Nebo jiný příklad z pozdější doby: V roce 1907 připravil belgicko-americký chemik prof. Leo Henrik Baekeland vůbec první průmyslově vyráběnou umělou hmotu spojením fenolu a formaldehydu, kterou pak v únoru roku 1909 představil na zasedání newyorské sekce Americké chemické společnosti. Tato fenolická pryskyřice, zpevněná při lisování finálního výrobku dřevnou nebo kamennou moučkou či třeba textilními vláky, pojmenovaná podle jeho jména bakelit, je po ochlazení a vytvrzení odolná vůči mechanickému poškození, teplu a kyselinám. Telefony, rádia a hlavně lampy z tohoto materiálu dnes patří k vyhledávaným předmětům ve starožitnictvích a retro obchodech.

Společný jmenovatel: kompozit

Ve všech těchto případech se jedná o kompozitní materiál – o složený materiál, vzniklý umělým spojením jednodušších materiálů. Při tomto procesu získává vlastnosti, které jeho jednotlivé komponenty nemají.
Třeba ve stomatologii se kompozitem myslí výplňový materiál složený ze skla a pryskyřičného pojiva. Jedním z nejznámějších kompozitních materiálu je železobeton, což je kompozit z ocelových drátů a betonu. (Beton je tedy kompozit z kameniva a cementu). Jiným známým zástupcem je skelný laminát - kompozit ze skleněných vláken a pryskyřice, obvykle polysterové. Hojně užívaný kompozitní materiál je také asfaltová směs na výrobu povrchu komunikací.

Dalšími zástupci jsou kompozity z vláken uhlíkových a aramidových, ze kterých se vyrábějí extrémně pevné a lehké díly pro konstrukce letadel a raket. Užití mají i v automobilovém průmyslu, v ozbrojených složkách (kevlarové neprůstřelné vesty či ochranné helmy) a v řadě dalších oblastech. Obvykle jedna ze součástí dodává výrobku pevnost a druhá slouží jako pojivo.

Vyrábějí se i třísložkové kompozity, které tvoří nosná složka (vlákna, střiž, tkanina, termoplastická folie), pojivo (reaktoplastické a termoplastické pryskyřice, kaučuky) a plnivo (anorganické – slída, křemen, sklo či organické pojivo - třeba dřevěná moučka).

Významná oblast výzkumu v ČR

Kompozitním materiálům se dlouhodobě věnují také naši výzkumní a vývojoví pracovníci, přičemž nezřídka dosahují velmi dobrých výsledků. Konkrétním příkladem – jedním z mnoha – je úspěšná spolupráce Technické univerzity v Liberci s českým závodem kanadského výrobce automobilových součástek Magna v Liberci (Magna Exteriors & Interiors Bohemia) na společném, projektu využití přírodních vláken při výrobě plastů nejenom pro automobilový průmysl. Ten probíhal za podpory Technologické agentury ČR od roku 2011 až do současné doby a jeho cílem bylo nahradit minerální a syntetická plniva v plastových dílech materiály přírodními, materiály z biomasy.

Důvod?
Vlákna třeba bambusu, lnu, juty, bavlny, celulózy, případně vlna ovcí či velbloudů, mohou totiž významně zlepšit vlastnosti materiálů, resp. výrobků. Další výhodou přírodních vláken je jejich nízká hmotnost, nízká abraze forem, spalitelnost, netoxičnost, biodegradabilita a především nízká cena, nezávislá na ceně ropy.
„Úspora na ceně je dost výrazná, když si uvědomíme, že v současné době stojí 1 kg polypropylenu zhruba 2 eura a například vlákna lnu jen asi čtvrtinu této částky. Ještě důležitější ale možná je, že výroba dílů s přírodními minerály podstatně méně zatěžuje životní prostředí“, říká v této souvislosti vedoucí vědeckého týmu Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci prof. Dr. Ing Petr Lenfeld, který je také hlavním řešitelem uvedeného projektu.

Výrobní postup

Kompozit se v tomto případě, velmi zjednodušeně řečeno, získá smícháním polymerní suroviny s přírodními plnivy. Přírodní vlákna a materiály se nejprve připraví mletím pro následné technologické procesy. Poté se smísí s plastem i aditivy v rozdílných procentuálních objemech a granulací se vyrobí se granule kompozitu. Materiál se následně zpracuje ve vstřikovacím stroji, kterým se vstřikuje do uzavřené dutiny formy, aby získal požadovaný tvar plastového dílu.

Lenfeldův tým takto připravil a vyhodnotil řadu kombinací. „Vybrali jsme necelou desítku kompozitů, u kterých se prokázalo, že přírodní materiály zlepší užitné a konečné vlastnosti“, dodává prof. Lenfeld. Použity byly jak přírodní materiály typické pro naši republiku (celulóza, sláma, len, ovčí srst), tak i přírodní materiály z jiných oblastí (bavlna, juta, kapok, srst lamy, srst velblouda).

Ověřené výsledky a závěry

Z výzkumu vyplývá, že použití některých přírodních vláken výrazně zvyšuje mechanické vlastnosti kompozitních materiálů a plastových dílů. Tuto schopnost mají např. vlákna juty, konopí a lnu, ale i vlákna banánovníku nebo bambusu. Materiál si přitom zachovává houževnatost a hodí se jak pro pohledové, tak i konstrukční díly, například pro použití třeba u výplní dveří, sloupků, konzol a u dalších automobilových dílů z plastů. Zpracovatelské vlastnosti jsou i přes použití přírodních plniv o velkém procentuálním objemu velmi dobré. Povrch vyrobených plastových dílů je velmi kvalitní, zvyšuje se rozměrová stabilita, absorpce hluku a vibrací.

Mimo normovaných zkoušek byly materiály podrobeny i mikroskopickému rozboru pro hodnocení vlivu chemických modifikátorů a aditiv na mezifázové rozhraní mezi přírodním plnivem a matricí. Důležitou součástí bylo také hodnocení biodegrability připravených směsí pro zjištění jejich dopadu na životní prostředí.
Úspěšný vývoj nových materiálů byl završen podáním národních a mezinárodních patentů.

Využití v praxi
Přírodní vlákna jsou nyní v automobilovém průmyslu většinou používána jako výztuž tvarovaných velkoplošných dílů v interiéru vozu. U nás jsou používány dřevěné piliny, obsahující vlákna celulózy a netkané lnové materiály s polypropylenem. Je však třeba zdůraznit, že se jedná prakticky pouze o výrobky vzniklé lisováním biokompozitů, nikoliv jejich vstřikováním. Vstřikování biokompozitních materiálů je doposud málo prozkoumanou oblastí s velkými možnostmi a potenciálem i předpokladem značného nárůstu. Odborníci se shodují, že technologie vstřikování biokompozitů je „spícím gigantem“.

Přesto, že se výzkumné organizace i výrobní společnosti snaží soustředit na vývoj v uvedené nadějné oblasti, chybí u nás ucelená studie a normy s důrazem na aplikaci těchto materiálů v automobilovém průmyslu, kde jsou kladeny vysoké nároky na kvalitu, rozměrovou a tvarovou přesnost vyráběných dílců. V tomto směru byl tedy uvedený výzkum s tímto konkrétním zaměřením posunem vpřed.

Aktuální orientace na využití přírodních materiálů jako náhrady fosilních surovin má své opodstatnění nejen z hlediska materiálového, technologického a finančního, ale také environmentálního (nižší energetická náročnost, nižší emise oxidu uhličitého, biodegradovatelnost, tedy rozložitelnost látky přírodními mechanismy, spalitelnost a podobně). Ne náhodou je proto daný trend podporován i legislativou Evropské unie.

Také z těchto hledisek uvedený projekt, svým řešením zaměřený převážně do oblasti aplikovaného výzkumu a následných aplikací těchto produktů do automobilového průmyslu pro snížení ekonomické a hlavně ekologické náročnosti, splnil očekávání.

Ve výsledném efektu přináší zisk konkurenční výhody českého výrobce automobilových dílů na domácích a mezinárodních trzích. Environmentální aspekty výrobků lze začlenit do jejich konstrukce, propagace a marketingu, což by mělo vést ke zvýšení produkce a prodeje dílů.
Inovované materiály lze samozřejmě využít i v jiném než automobilovém průmyslu. Například ve spotřebním průmyslu, neboť technologie vstřikování a její modifikace jsou nejrozšířenější výrobní technologií pro zpracování plastů.

Připravil: Milan Bauman

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Zdroj:  TAČR