Jelentős potenciál van a szénszál ipari felhasználásában

De Rivo Balázs gépészmérnök előadása Az ember alkotta anyag – a XXI. század anyaga konferencián.

– Magyarországon jelentős az oxidált szál és szénszál gyártás – kezdte előadását de Rivo Balázs, majd a ZOLTEK történetét ismertette röviden. – A vállalatot 1975-ben alapították az Egyesült Államokban alacsony költségű, nagy teljesítményű szénszálak szabadalmaztatott folyamatos karbonizálási eljárással való gyár tására specializálva. 1996-ban a ZOLTEK egy nyergesújfalui üzem megvásárlásával bővítette tevékenységét Magyarországon. 2014ben pedig magát a céget a japán Toray-csoport vásárolta meg. Kapacitásait azóta is folyamatosan növeli, 2020-ban hazánkban is a bővítés mellett döntött. Magyarország mindenképpen egy kiemelt gyártóhely, mivel nemcsak alapanyagot, hanem kompozit szerkezeti elemeket is gyártunk.

A szénszál erősítésű kompozitok figyelemre méltóak teljesít ményjellemzőikben és tulajdonságaikban, amelyek közé tartozik a nagy szilárdság, a kis tömeg, a nagy merevség, a korrózióállóság, a hőállóság és az elektromos vezetőképesség.

A szénszál rendkívül finom elemi szálakból áll, átmérője 5 és 7 mikron közötti. A szénszálak több mint 90%-a szénatom, a többi főként nitrogénatom. Szálszerkezetük anizotrópiát mutat, tehát vannak benne kristályos és amorf részek is. A szénszálak tulajdonságai közé tartozik, hogy könnyűek, ugyanakkor rendkívül robusztusak és merevek. Szerkezetük is fontos szerepet ját szik az anyag szilárdságában és ellenállásában, ennek eredményeként a szénszálas kompozitok páratlan szakítószilárdságot, moduluszt és fáradásállóságot kínálnak. A termikus tulajdonságok közül kiemelendő, hogy hőállóak, magas üzemi hőmérsékle ten történő használat esetén a szénszál nem bomlik le és nem tágul. A szénszál elektromosan vezetőképes, elektromos áram hatására hőt termel. Rádióvagy elektromágneses interferencia elleni védelmére is használható. Nem gyúlékony, mert nem táplálja az égés oxidációs reakcióit. A szénszál másik fontos jellemzője a sokoldalúság, különféle anyagokkal képes együtt dolgozni, beleértve más szálakat, műanyagokat, fémeket, fát és betont.

A SZÉNSZÁL GYÁRTÁSI FOLYAMATA

A ZOLTEK szénszál gyártásáról röviden a következőket mondta a fejlesztési igazgató: – A szénszál alapanyaga a kőolajból származó akrilnitril, ami egy vegyipari tömegtermék. Mi ezt az akrilnitrilt vásároljuk meg és ebből a saját polimer üzemünkben készítünk poliakrilnitrilt. A poliakrilnitril jelenleg a legelterjedtebb alapanyaga a szénszálnak. Emellett megemlíthető még például a kátrány, azonban ez egy drágább technológia, ugyanakkor jelentős a fenn tartható alapanyagok kutatása is. A Nyergesújfalun előállított poli akrilnitrilből egy úgynevezett nedves kicsapó fürdőn keresztül prekurzor szálakat gyártunk, amelyek kifejezetten az oxidált szál és a szénszál gyártására lett optimalizálva. A nedves kicsapó fürdőben dűznin nyomjuk keresztül nagy nyomással a polimer ömledéket.

A dűznit úgy kell elképzelni, hogy ez körülbelül tíz centiméter átmérőjű és mintegy ötvenezer furat található rajta, tehát úgy néz ki, mint egy zuhanyrózsa, amit, ha a fény felé tartanak, akkor a fényt átereszti. Ezek a furatok még süllyesztve is vannak mind a két oldalon. A dűznin való átnyomás egy nagyon fontos lépése a szénszál gyártásának. Ezt követi az oxidáció, illetve a karbonizáció, ami által eljutunk a szénszálhoz.

A poliakrilnitril vagy PAN polimer egy oldószerben feloldott, nagy viszkozitású anyag, melynek állagát a mézhez lehet hasonlítani. Ez a polimer a prekurzor szál képző üzemben kerül feldolgozásra, az üzem végén a szálakat nagyon nagy csévékre tekercselik fel, a szálhossz a 15 kilométert is elérheti. A csévéket oxidáló, illetve a szénszál gyártó üzemekbe szállítják. Az elkészült oxidált szálakat a textil, a szénszálakat a pultrúziós üzemben dolgozzák fel tovább. A nagy szilárdságú pultrudált lemezeket szélturbina lapátok erősítéséhez használják. A szénszálgyártó üzem éves kapacitása tizenötezer tonna.

De Rivo Balázs részletesebben is szólt a szénszál gyártás folyamatáról: – A kiindulási anyag, a prekurzor szál poliakrilnitril ből, szénből, hidrogénből és nitrogénből épül fel, a széntartalom körülbelül hatvan-hatvanöt százalék körül mozog. Az oxidáció során már kémiai átalakulások mennek végbe, itt még a széntartalom jelentősen nem változik, viszont a szál hőállósága már jelentősen megnő, lehetővé téve, hogy égésgátló textíliákhoz használ ják. Az oxidált szál nagyon fontos tulajdonsága, hogy textil céljára sokkal könnyebben feldolgozható, mint a szénszál. A szénszál nagy merevségéből adódóan igen törékeny, tehát hagyományos textilipari technológiákkal, mint a szövés, fonás és kártolás nagyon nehezen dolgozható fel, ezért számos partner oxidált formában vásárolja meg a terméket. Az oxidált szál széntartalma körülbelül hatvanöt százalék, és még mindig tartalmaz hidrogént és nitrogént. A szálerősítés során, ezer és kétezer fok hőmérséklet között további átalakulások mennek végbe. Itt történik egy jelentős tömegcsökkenés, így a széntartalommal már elérjük a kilencvenöt százalékot és tulajdonképpen csak a maradék három-négy százalék, ami nitrogén és hidrogén. Az aktiváláshoz oxigént használunk, hogy a szál felületére felvitt anyagokat stabilizáljuk. A szál felületére felvitt polimereknek kettős a funkciójuk. Mivel a szénszálak nagyon ridegek és törékenyek, ezért a feldolgozás során meg kell védeni, ezért viszünk fel rá körülbelül egy százalék tömegarányban polimer filmet. Ez lehet epoxid, poliuretán, poliészter vagy ezeknek a keve réke. Onnantól kezdve, hogy felvittük a szál felületére a filmet, azt is biztosítani kell, hogy később a kompozittal ez az anyag kompatibilis legyen. A szénszál ezután felületkezelésen esik át, mégpedig kémiai elektrolízisen, ami lehetővé teszi oxigéncsoportok ráojtását a szálak felületére, ezzel készítjük elő a szálat a karbonizációs folyamat utolsó szakaszára, a felületkezelésre. A felületkezelés a szál és a polimer mátrix közötti kötést könnyíti meg, ez optimalizálja a szénszál későbbi feldolgozását.

Az elkészült szénszálakat három kategóriába sorolják: standard, közepes és nagy moduluszú típusokra. A gyártott szénszál mennyiségének túlnyomó többsége, 85-90 százaléka a standard kategóriába tartozik. A nagy mennyiséget igénylő alkalmazásoknál nagy hangsúlyt fektetnek a költségekre és a gazdaságosságra. A ZOLTEK számára elsődleges cél, hogy minél több alkalmazási területre eljussanak a szénszálak, ezért standard moduluszú szénszálakat gyártanak, amelyek nagyon nagy hozzáadott értékű termékek.

A SZÉNSZÁL TOVÁBBFELDOLGOZÁSA

A kompozitok esetében a szál önmagában nem elég, szükség van egy mátrixra, egy befogadó anyagra. A mátrixnak a szilárdsága jellemzően kisebb, viszont ez védi meg, illetve ez teszi fel dolgozhatóvá a szénszálat.

– A ZOLTEK-nél használt szénszál továbbfeldolgozási technológiának, a pultrúziónak komoly előnye, hogy nagy a szálorientáció, ezért kiváló mechanikai tulajdonságú termékeket lehet vele gyártani, viszonylag olcsón – folytatta a feldolgozási lépések ismer tetését a fejlesztésért felelős vezető. – Hátránya a formaszabadság, tehát tulajdonképpen csak sík lemezeket lehet gyártani ezzel a technológiával. A pultrúziónál a szénszál cséveket egy állványon helyezzük el, majd egy száraz kábelvezetésen keresztül egy fűtött szerszámba vezetjük. A fűtött szerszámban vagy a szerszám előtt nedvesítjük át a szálakat a mátrix anyaggal. A térhálósodás, a szén szál közötti adhézió, illetve a gyantarendszer kikeményedése a szerszámban megy végbe. A szerszámból kilépő pultrudált lemezt megfogó lapokkal, hidraulikus hengerekkel húzzuk el és körülbelül két méteres átmérőben csévéljük fel.

A végtermék szélturbina lapátba kerül be, mint erősítőanyag. Tulajdonképpen hibrid kompozitokról van szó a szélturbina lapátok esetében, hiszen üvegszálas, szénszálas szendvics anya gokat, balsafát, PVC habot is tartalmazhat. Itt megint csak a gaz daságosság az elsődleges cél, hiszen, hogyha az egész széltur bina lapát szénszálból készülne, akkor annyira drága lenne, hogy sokkal nehezebben vennék fel a versenyt a szélerőművek más energiaforrásokkal. Egy 70-80 méter hosszú szélturbina lapát súlya körülbelül 30 tonna, és ebből a 30 tonnából körülbelül 2 tonna, ami szénszál, a többi gyanta, üvegszál és szendvicsanyagok. Viszont a mai világban olyan nagyléptékű a szélerőművek telepítése, hogy ez több mint ezer tonna szénszál kapacitást igényel a kereslet kielégítésére.

Mivel a pultrúziónál a formaszabadság nem túl nagy és egy re több olyan alkalmazási terület van, például az autóipar, ahol a tömegcsökkentés lényeges fontosságú, ezért ezeken a területeken hasznos műszaki megoldás az SMC (Sheet Molding Compound), azaz a folytonos üzemű lemezgyártás. A végtermék egy lemez formátumú gyanta/szál keverék. – Magát a technológiát úgy kell elképzelni, hogy egy hordozó fóliára gyanta filmet húznak fel, majd erre vágják a szénszálat, tehát egy kvázi izotróp szerkezet jön létre. Míg a pultrúziónál az volt a cél, hogy egyirányú szálelrendezés legyen, amivel nagy hosszirányú szilárdságot lehet biztosítani, itt viszont a technológia alkalmas arra, hogy több irányú legyen a szálelrendezés, vagyis több irányban legyen nagy a szilárdság. Miután a vágott szálak rákerültek a gyantarétegre, a felcsévélés előtt ezt egy másik fóliával le kell zárni. Az így kapott előgyártmány egy teljesen plasztikus és könnyen feldolgozható anyag. Ahhoz, hogy ebből egy kompozit szerkezeti elem készüljön, szükség van egy fűtött résre, illetve szerszámra. Az előgyártmányt ezután az ala kadó szerszámba helyezik, majd szerszámzárás után 60-100 bar nyomáson és 130-160 fok hőmérsékleten sajtolják. A technológiát elsősorban a prémium autógyártásban használják ki.

SZÉNSZÁLAK ALKALMAZÁSA

Előadásának végén de Rivo Balázs a szénszálak alkalmazási lehetőségeire tért ki: – A szélenergia hasznosításban megkülön böztetünk szárazföldi, illetve tengerre telepített szélerőműveket. A szárazföldön jellemzően 150-160 méter magas erőműveket építenek, viszont tengerre már lényegesen magasabbakat, és a rotorok átmérője elérheti a 200 métert. A szélturbina lapátok deformációja szükségessé teszi a szénszál alkalmazását, hiszen üvegszál használatánál lényegesen nagyobb lenne a deformáció, így az is elképzelhető lenne, hogy maga a szélturbina lapát beleütközne a toronyba. A szélturbinák mérete folyamatosan nő, az iparág és a kutatás-fejlesztés abba az irányba halad, hogy egyre nagyobb szélerőműveket építsenek. A tengeri telepítéseknél is egyre mélyebb vizekre helyezik ki ezeket a szélerőműveket. A horgonykötelekhez is szénszálat használnak, mert nagy szakítószilárdságúak. A kompozit előnye, hogy nem korrodál, másfelől, ha a horgonykötelet fémből készítenék, akkor jó eséllyel a saját tömege alatt elszakadna, nem hogy megtartaná a szélerőművet.

Az alkalmazhatóság tekintetében ki kell emelni a szén-szén kompozitok kopásállóságát és hőállóságát. Egy szén-szén kompozit féktárcsa életciklusa például 800 kilométer, viszont a tömege csak 1,2 kg, míg működési vagy üzemi hőmérséklete 350-1000 °C közötti. Ez azért fontos, mert ezeket a féktárcsákat nem lehet közúton használni, hiszen ahhoz, hogy a megfe lelő fékteljesítményt nyújtsa, el kell érni a 350 fokot. Viszont egy versenypályán, vagy egy repülőgép leszállásakor ezt az üzemi hőmérsékletet elérik. A következő fejlesztési lépcső a szén-kerámia féktárcsa, amelyhez a szénszálat a ZOLTEK már több mint tíz éve szállítja, így az összes Ferrari autó Magyarországon gyártott, vágott szénszálból készült féktárcsákkal van szerelve. A szén-kerámia féktárcsák tömege nagyobb, 6,7 kg, viszont az élettartama is lényegesen hosszabb, több mint háromszázezer kilométer -50 és +1000 °C közötti üzemi hőmérsékleten, tehát lefedi mind a versenyautók, mind a normál közúti használatot. További érdekesség a szén-kerámia féktárcsáknál a nagyon magas kopásállóság, és itt nem a geometriát kell figyelni, hogy miként változik, hanem a tömeget. Van egy kritikus tömeg, egy kritikus alsó határ, ahol már porózussá válik a féktárcsa.

Az oxidált szálakat égésgátolt szigetelésre is lehet használni. Mivel a szénszálnak kiemelkedő az elektromos vezetőképessége, illetve a kis átmérő miatt nagy fajlagos felülettel bír, az energiatárolás területén is hasznosítható, ahol elektródákat készítenek szénszál filcből.