A polimer kompozitok a világ leginnovatívabb anyagai

Az ember alkotta anyag – a XXI. század anyaga konferencia a Magyar Tudományos Akadémián.

Megnyitó beszédében Prof. Dr. Czigány Tibor, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem rektora elmondta: – Ezen rendezvényen talán a világ leginnovatívabb anyagáról, a polimer kompozitokról lesz szó. A kompozitok ma már ott vannak a mindennapjainkban, a könnyű járműveinkben, legyen az légi, vízi vagy szárazföldi, ott vannak az energetikai eszközeinkben, például a szélkerekekben, de ott vannak a sport és orvostechnikai eszközökben és még hosszan lehetne sorolni.

Ezután a professzor a diákokat szólította meg a következő szavakkal: – Mint tudják, 2024-től változik a felsőoktatási rendszer. Ennek az egyik fő eleme, hogy eltörölték központilag az emelt szintű érettségit. Ugyanakkor, ha jó helyre akarnak bekerülni, jó iskolába járni, ahol olyan diplomát adnak, amit nemzetközileg is elismernek és jó fizetéssel tudnak elhelyezkedni, akkor muszáj az emelt szintű érettségi. Ez az egyik tanácsom és ez nagyon fontos. A másik tanácsom, hogy ugyan már nem szükséges a diplomához nyelvvizsgát tenni, de hogyha meg akarják értetni magukat a világban, akkor tudni kell nyelvet, nyelveket beszélni, amihez az én véleményem szerint a nyelvvizsgára is szükség van.

Ugyanakkor hadd beszéljek egy picit arról, hogy bár közhely, de a világ megváltozott körülöttünk – folytatta a BME rektora. – A technológia olyan szintet ért el, amilyenre korábban még nem is gondoltunk, itt van a mesterséges intelligencia, a mindent átszövő digitalizáció, a biotechnológia, a nanotechnológia, a környezetvédelem, a klímavédelem, a biztonságos energiaellátás és még hosszan sorolhatnám.

Végezetül hadd búcsúzzam egy régi műegyetemista diák, a Nobel-díjas Gábor Dénes szavaival: Találjuk fel együtt a jövőt! – zárta köszöntőjét Czigány professzor.

Cikkünkben a rendezvényen felszólalt szakemberek közül Dr. Szebényi Gábor, a BME Polimertechnika Tanszék egyetemi docensének előadását foglaljuk össze.

PEHELYSÚLYÚ NEHÉZFIÚK AZ ÉLET MINDEN TERÜLETÉN

Természetesen nem az ökölvívásról, hanem a polimer kompozitokról szólt Dr. Szebényi Gábor előadása. Maga a szó, hogy kompozit latin eredetű, és egy összetett, több komponensből összeállított szerkezetre, anyagra utal. Magukat a szerkezeti anyagokat három fő csoportba tudjuk sorolni, ezek a fémek, a kerámiák, illetve a polimerek. Mind a három anyagcsoportnak vannak előnyei és hátrányai is. A fémek például nagyon nagy szilárdságúak, jó hővezetők, viszont általában nagy sűrűségük miatt viszonylag nehéz szerkezeteket lehet belőlük építeni. A kerámiák nagyon jó hőszigetelő képességgel és hőállósággal rendelkeznek, de nem nagyon „szeretik” az ütésszerű igénybevételeket. A polimerek esetében pedig általában könnyű feldolgozhatóságról, jó ütésállóságról és csillapító képességről beszélünk, azonban például a hőállóságuk nem mindig megfelelő az összes felhasználási területre.

– Mit csinálhat egy anyagmérnök? – tette fel a kérdést Szebényi docens. – Megpróbálhat ezekből az anyagokból választani, jó tulajdonságaikat kombinálva összetett szerkezeteket, kompozitokat alkotni, de természetesen nem muszáj az összes anyagcsoportból külön-külön kiválasztani a komponenseket, hanem lehet például csak polimer alapú kompozitokat készíteni. Ha műszaki oldalról közelítjük meg a témát, akkor definició szerint a kompozitok többfázisú, összetett szerkezetek, amelyek erősítőanyagból és mátrix anyagból állnak. Ezekre általánosságban az jellemző, hogy az erősítőanyag valamilyen nagy szilárdságú vagy nagy merevségű, tehát nehezen formálható, rendszerint szálas anyag, szén-, üveg-, bazalt- vagy műanyag szál. A mátrix anyag pedig a műanyagos szakembereknél egy jó ütésállóságú, nagy szívósságú műanyagot fog takarni. Nagyon fontos emellett, hogy ezeknek az anyagoknak jól együtt kell működniük, és ezt az együttműködést hosszútávon meg kell őrizniük.

A kompozitokat a mátrix anyag típusa szerint lehet tovább csoportosítani. Kerámia mátrix kompozitok például az acélhálóval erősített üveg, de ide sorolhatók akár a vasbeton szerkezeteket is. Fém mátrix kompozitok a repülőgépek turbinalapátjaiban használt, kerámia részecske erősítésű kompozitok. Illetve vannak polimer vagy műanyag mátrixú kompozitok is, mint például a szénszál erősítésű gyanta kompozit. Magasabb szintet képviselnek a hibrid kompozitok, ahol többféle erősítőanyagot és többféle mátrix anyagot is lehet egy-egy szerkezetbe kombinálni és ezeknek a jó tulajdonságait egyesíteni.

A polimer kompozitokhoz a definícióból kiindulva kell egy mátrix anyag, ami befoglaló anyagként fog funkcionálni, illetve kell egy erősítőanyag, ami a terhelést viseli. A mátrix műanyag kétféle lehet, hőre lágyuló műanyag, ezek alapvető tulajdonságai, hogy megömleszthetők, jól színezhetők és könnyen újrahasznosíthatók, illetve térhálós műanyag, ezeket a jó hőállóság és a nagyon nagy tartósság jellemzi. Az erősítőanyagok közül a szénszálat a kis sűrűség és a nagy szilárdság jellemzi. Általános alkalmazásra használhatunk üveg- és bazaltszálat, a műanyag szálaknál pedig a polimerek speciális tulajdonságait tudjuk kihasználni, például a jó ütésállóságot. A különböző erősítőanyagok számos kiszerelésben is rendelkezésre állnak, lehetnek elemi szálak, szövetek és kötött kelmék.

– A polimer kompozitok előnyei közé tartozik egyik kiváló tulajdonságuk, hogy rendkívül nagy szilárdságot lehet elérni velük, akár az acél szilárdságának két-háromszorosát is egy szénszálas szerkezettel, ezt használjuk ki például hidak építésénél, ezt jelenti az előadás címében említett „nehézfiúk”. A címben szereplő „pehelysúlyt” képviseli az, hogy ezeknek az anyagoknak viszonylag kicsi a sűrűségük, ami például az acél sűrűségének akár az egyötöde is lehet. Ez kihasználható például autó karosszériák gyártásakor. Fontos tulajdonságuk, hogy jó elektromos szigetelők, itt például a villamos hálózatban lévő szigetelő elemekre gondolok. Ezeknek az anyagoknak több tízezer voltos feszültséget is el kell viselniük, és a terhelést is tartaniuk kell a nagy feszültségű vezetékeknél. Emellett bizonyos kompozitoknak jó a hőszigetelő képessége és jó a hőállósága is, például tűzálló ajtóknál, különböző biztonsági elemeknél, illetve kéménybélést is lehet készíteni ezekből. Egy nagyon fontos dolog a kompozitok jó korrózióállósága. Nagyon nagy előny a kompozitok tervezhető teherbírása, amikor a szálakat abba az irányba lehet rendezni, ahol majd a terhelés fogja érni őket, ezzel lehet például koncepció autókat készíteni – folytatta előadását a kompozitok tulajdonságait elemezve Dr. Szebényi Gábor.

A természetben is találkozhatunk kompozit szerkezetekkel, például a fában található cellulóz szál rost és a lignin befogadó anyag is egy kompozit szerkezetnek tekinthető, vagy az emberek, állatok csontváza, illetve akár az inainkat is felfoghatjuk kompozit szerkezeteknek. – De nézzük meg, hogy hol vesznek minket körül, hol találkozhatunk kompozit szerkezetekkel a szűkebb környezetünkben – tért ki az alkalmazási lehetőségekre az egyetemi docens.

– A kisméretű jachtok, motorcsónakok nagy többsége is kompozit hajótesttel rendelkezik. Manapság a legtöbb mozdonynak a vezetőfülkéje tisztán kompozit szerkezet, vagy a MÁV IC+ kocsijában az összes belső burkolati elem, ülés, ház és nagyon sok egyéb alkatrész is kompozitból készül, kihasználva a kis tömeget és a nagy ellenállóképességet. Az autóbuszok nagyon sok külső és belső burkolati eleme készülhet kompozitból. A vízszállítás is részben kompozit csövekben történik, ezek a száltekercselt csövek hasonlóak, mint például a hidrogén hajtású autókban a hidrogén tartály, üvegszálas erősítéssel készülnek és hosszú évtizedeken keresztül tudják biztosítani a vízellátást. Az utasszállító repülőgépek belső burkolati elemeinek speciális funkciói vannak, könnyűek, hogy minél több embert és csomagot lehessen szállítani, emellett égésgátlónak kell lenniük, hogyha tűz üt ki a repülőgépen, akkor ne legyen abból azonnali tragédia. A repülőgépek szellőzést biztosító szerkezeteit is kompozitból gyártják, ezeken a polipszerű csöveken keresztül minden utashoz eljut a tiszta levegő. A kompozitok formaszabadságot biztosítanak a tervező számára, olyan és akkora szelvényű csöveket, illetve edényeket tudnak gyártani, amire a megrendelőnek szüksége van. Lehetnek kisméretű csövek, illetve nagyméretű, járható csatornacsövek is. A szélerőmű alkatrészeknél a lapátok, a hajtást és a generátort tartalmazó gondola szerkezetetek készülhetnek kompozitból, ezek óriási méretű és nagy teherbírású szerkezetek.

Végezetül további érdekes alkalmazási területeket is említett az előadó: – A kompozitok szórakoztatnak is minket. A hangszergyártásban a kétezertízes évek slágere volt Magyarországon a Bogányi zongora, ami egy szénszálas zongora. Ezeknek a hangszereknek nagy előnye tud lenni, hogy teljesen más, különleges a hangzásuk. Egy ilyen versenyzongoránál az sem mindegy, hogy míg egy hangversenyterembe való telepítésekor egy fából készült zongorának akár hetekig is akklimatizálódni kell, addig egy kompozit zongorával leszállítása utána akár néhány óra vagy maximum egy nap után is lehet már hangversenyt tartani. A filmiparban a díszletekben, kellékeknél nagyon sok ilyen szálerősített szerkezettel találkozunk.

A szórakoztatás mellett a kompozitok össze is kötnek minket. A hidak esetében vannak érdekes aspektusok. A tömeg azért lehet fontos, azért lehet előnyös egy hídnál, mert az elemek könnyen a helyszínre szállíthatók, illetve a telepítésük nem jár nagy természet rombolással a hagyományos technikákhoz képest. Fontos szempont az is, hogy a kompozitok megvédenek minket a széltől, az UV sugárzástól vagy az esőtől, erre példák a feszített ponyva szerkezetek. Ezek is nagy tervezői szabadságot biztosítanak a mérnökök számára, illetve olyan speciális funkciókkal lehet ellátni őket, mint az öntisztulás és a karbantartásmentesség. Különböző védőeszközöket is készíthetünk kompozitból, ilyenek a sportoláskor és aknamentesítésnél használható protektorok, illetve a kompozitoknak van a hadiipari felhasználásban is szerepe, főleg védelmi célú alkalmazásban. Orvostechnikai eszközökben is találkozhatunk kompozitokkal, mint például a protéziseknél és az állatgyógyászati eszközöknél.

Röviden szólunk a további előadások témáiról és előadóiról is, ezekről részletesen a következő lapszámunkban olvashatnak.

De Rivo Balázs, a ZOLTEK Zrt. fejlesztési vezetője a szénszálak magyarországi gyártásába és az ezzel kapcsolatos XXI. századi alkalmazási trendekbe nyújtott betekintést. A polimer kompozitok erősítőanyagai között kitüntetett szerepe van a szénszálaknak. A szén amellett, hogy a szerves vegyületek, így az élő szervezeteknek és a polimereknek is az alapja, számos formájában előfordul a természetben is. A legpuhább grafitceruza vagy a legkeményebb gyémánt is szénből van, de említhetjük akár a szén nanocsöveket vagy a fulleréneket is.

A szénszálakról átevezve az üvegszálak területére Dr. Mezey Zoltán, a Flaar Kft. ügyvezető igazgatója a hajóépítés csodaanyagairól, az üvegszálas kompozitokról tartott előadást. A főleg polimer kompozit vitorlás és motoros hajók tervezésével és építésével foglalkozó vállalkozásnak számos díjnyertes terméke van, hajóik több hazai és világversenyen szerepeltek eredményesen.

Dr. Lipóczi Gergely, az eCon Engineering kereskedelmi igazgatója előadásában azt mutatta be, hogy miként állhatnak a polimer kompozitok a megújuló energiaforrások, és azon belül is a szélenergia szolgálatába, hogyan zajlik a szélturbina lapátok tervezése, gyártása, a szélerőművek telepítése és karbantartása.

VÉLEMÉNYEK A KONFERENCIÁRÓL

Hatalmas lehetőség volt számunkra, hogy a Magyar Tudományos Akadémia épületébe látogatást tehettünk. Az előadások az épülethez méltóan, igazán kiemelkedőek, elgondolkodtatóak és érdekesek voltak. A kémia és a mérnöki pálya iránt érdeklődők kedvét felkeltette ez a témakör. Az előadás utáni állófogadáson a kiváló étel mellett hozzánk hasonló elmékkel tudtunk társalogni, ami mindenkire motiválóan hatott.

Jandzsó Marcell, Kigyósi Marcell, Hollósi Fanni, Kódai Dorina, Skotnyár Éva, Nedeczky Karolina, Hajdu Márton, Szekér Anna
a Kaposvári Táncsics Mihály Gimnázium 11. A osztályos tanulói

Hálásan köszönjük, hogy a Magyar Műanyagipari Szövetség és a cégek ekkora figyelmet fordítanak arra, hogy a kémia és a környezetvédelem iránt az átlagosnál nagyobb érdeklődést mutató tanulóink rendszeresen eljuthassanak ezekre a konferenciákra. A diákok tájékozódhatnak a tudományos kutatások folyamatáról, eredményeiről, továbbá bepillantást nyerhetnek abba, hogy az iskolában a tanórákon tanult témák, tananyagok milyen módon jelennek meg az iparban, és ezáltal a hétköznapjaikban.

Borbényiné Molnár Hajnalka szaktanár
Kaposvári Táncsics Mihály Gimnázium

Lenyűgöző élmény volt ellátogatni második alkalommal is Az ember alkotta anyag – a XXI. század anyaga konferenciára. Már a Magyar Tudományos Akadémia épületébe belépni sem mindennapi esemény, az előadások pedig érdekesek voltak, lekötötték a hallgatóságot. Mivel a Budapesti Műszaki Egyetemről is jöttek előadók, ezért voltak ismerős arcok és témakörök, azonban az előképzettségem ellenére ebben az évben is hallottam új információkat a szénszálakkal kapcsolatban de Rivo Balázstól. A tanulmányaimban éppen van egy szénszál-erősítésű kompozitokkal foglalkozó projektfeladatom, amihez nagyon jó alapokat hallottam, ami megerősítette az eddigi tudásomat.  Az eddig kevésbé ismert információkat pedig most már be tudom építeni ebbe a dolgozatba. Sokat adott nekem ez a konferencia és szerintem a középiskolás fiataloknak is, akik egy kicsivel többet hallhattak a műanyagok világáról.

Rohoska Zita
BME Polimertechnika Szakosztály

A Tiszaújvárosi Eötvös József Gimnázium és Kollégium tizenkét szerencsés tanulója látogathatta meg idén a Magyar Műanyagipari Szövetség Az Ember alkotta anyag – a XXI. század anyaga konferenciát. Az eseményen minden évben szakemberek osztják meg az érdeklődőkkel a legújabb kutatási eredményeket és tapasztalatokat. Ebben az évben a konferencia témája a műanyag kompozitok voltak. Megtudhattuk milyen anyagok a kompozitok, (olyan összetett anyagok, amelyek két vagy több eltérő szerkezetű anyagkombinációból tevődnek össze) hogyan hozhatók létre, és milyen területen tudjuk felhasználni őket. Idén négy előadó igyekezett kiszélesíteni a látókörünket. A diákok tetszését legjobban az első előadó, dr. Szebényi Gábor, a BME egyetemi docensének előadása nyerte el. Előadásában a kompozitok összetételét és felhasználását ismertette az élet minden területéről vett példákkal. Összességében sok értékes, új tudással gazdagodtunk, és érdekes életpályákat ismertünk meg. Diáktársaim nevében is szeretném megköszönni azoknak, akik lehetővé tették számunkra a részvételt.

Füzér Zsuzsanna 12. A osztályos tanuló
Tiszaújvárosi Eötvös József Gimnázium és Kollégium