Ακολουθήστε την «ΑΥΓΗ»
Ο επιλεγμένος κατάλογος δεν υπάρχει πλέον.

Ίνες άνθρακα από πράσινες πρώτες ύλες, φθηνότερες και φιλικότερες προς το περιβάλλον

Στο άρθρο αυτό περιγράφονται οι στόχοι και η μεθοδολογία του ευρωπαϊκού προγράμματος Fibralspec. Τα αποτελέσματα του Fibralspec και άλλων ευρωπαϊκών έργων έχουν την προοπτική να επηρεάσουν την παραγωγή, εφαρμογή και ανακύκλωση των ΙΑ σε μακροπρόθεσμο επίπεδο.

Το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα Fibralspec διερευνά την παραγωγή και την αξιοποίηση εναλλακτικών πρώτων υλών για την παραγωγή ινών άνθρακα (IA). Το πρόγραμμα συντονίζεται από την Ερευνητική Μονάδα Προηγμένων, Σύνθετων, Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας (R-NANO) της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) και βρίσκεται στον τέταρτο χρόνο υλοποίησής του, με ένα μέρος των αποτελεσμάτων του να αξιοποιείται ήδη από τους βιομηχανικούς εταίρους που συμμετέχουν στο έργο.

Στο άρθρο αυτό περιγράφονται οι στόχοι και η μεθοδολογία του ευρωπαϊκού προγράμματος Fibralspec. Τα αποτελέσματα του Fibralspec και άλλων ευρωπαϊκών έργων έχουν την προοπτική να επηρεάσουν την παραγωγή, εφαρμογή και ανακύκλωση των ΙΑ σε μακροπρόθεσμο επίπεδο. Ένας από τους κύριους στόχους του Fibralspec είναι η παραγωγή ΙΑ από πράσινες πρώτες ύλες και η βελτιστοποίηση της απόδοσης των διεργασιών οξείδωσης με την εγκατάσταση στο ΕΜΠ αυτοματοποιημένης γραμμής παραγωγής. Η πρωτότυπη ημιβιομηχανική γραμμή σταθεροποίησης συνεχούς παραγωγής (για την οξειδωτική επεξεργασία των πρόδρομων ΙΑ) έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί από την ομάδα του ΕΜΠ.

 

H πολιτική της Ε.Ε.

Το Fibralspec εντάσσεται στην ευρωπαϊκή συστάδα (cluster) «Carbon Fibres & Advanced High Performance Composites Cluster (CFPC)» (http://www.technologycluster.eu/) για την προώθηση της έρευνας, την ανταλλαγή ιδεών, αποτελεσμάτων και μεθόδων που θα συμβάλλουν στην ενίσχυση της παρουσίας της Ευρωπαϊκή Ένωσης στην παραγωγή IA. Η βιομηχανική αξιοποίηση των ερευνητικών αποτελεσμάτων αποτελεί στρατηγικό στόχο για την Ε.Ε., καθώς, παρ’ ότι αποτελεί τον δεύτερο μεγαλύτερο καταναλωτή ΙΑ διεθνώς (και τον πρώτο έως το 2020), δεν αποτελεί παραγωγό, εισάγοντας ΙΑ από τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. Η σημασία των ΙΑ και του μεγέθους της αγοράς τους φαίνεται στο διάγραμμα της Εικόνας 1. Σύμφωνα με προβλέψεις της Toray Industries Inc of Japan (ο μεγαλύτερος παραγωγός ΙΑ στον κόσμο) αναμένεται αύξηση κατά 80% στον τομέα των βιομηχανικών εφαρμογών (π.χ. αυτοκινητοβιομηχανία, ασφαλή καταφύγια, ηλεκτρονική), 70% στον τομέα της αεροδιαστημικής και 30% στους υπόλοιπους τομείς (π.χ εμφυτεύματα, αθλητικά είδη).

 

Στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού cluster CFPC, στο οποίο συμμετέχουν ειδικοί από όλη την Ε.Ε., πέντε μεγάλα ερευνητικά έργα συνεργάζονται γύρω από την αειφόρο παραγωγή και ανακύκλωση ΙΑ. Οι ερευνητικές κοινοπραξίες CARBOPREC, NEWSPEC, και FIBRALSPEC ερευνούν την ανάπτυξη εναλλακτικών πρόδρομων ΙΑ με στόχο τη μείωση του κόστους και την απεξάρτηση της Ε.Ε. από εισαγωγή ΙΑ. Η κοινοπραξία Reform ασχολήθηκε με την ανακύκλωση σύνθετων υλικών ενισχυμένων από ΙΑ.

 

Τι είναι η ίνα άνθρακα;

Ως ΙΑ ορίζεται μία ίνα (ή ένα νήμα) η οποία περιέχει τουλάχιστον 90% άνθρακα και παράγεται από ελεγχόμενη πυρόλυση κατάλληλων πρόδρομων ινών. Οι πρόδρομες ΙΑ παράγονται από τις πρώτες ύλες και καταλήγουν έπειτα από οξειδωτική σταθεροποίηση και πυρόλυση σε ΙΑ. Οι ΙΑ από πολυακρυλονιτριλίο (polyacrylonitrile – PAN) έχουν μακροσκοπικά ινώδη δομή, παρόμοια με αυτή της πρόδρομης ίνας, αλλά αποτελούμενη από στρώματα άνθρακα, ενώ από την κρυσταλλική δομή των ΙΑ απουσιάζει τρισδιάστατη περιοδικότητα. Οι πρώτες ΙΑ κατασκευάστηκαν από τον Τ. Edison το 1879, στην προσπάθεια που κατέβαλε να βρει υλικό κατάλληλο για αντιστάσεις στους ηλεκτρικούς λαμπτήρες.

Λαμβάνοντας υπ’ όψιν τις μοναδικές ιδιότητές τους, οι ΙΑ θεωρούνται ως οι κυρίαρχες ίνες ενίσχυσης για ελαφριά, υψηλής αντοχής και στιβαρότητας σύνθετα υλικά. Τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ΙΑ χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, καθώς έχουν υψηλή αντοχή σε μηχανικές καταπονήσεις, ακαμψία, χαμηλή πυκνότητα, εξαιρετικές ιδιότητες διαβροχής, υψηλές αντιστάσεις στη διάβρωση, καθώς και ελεγχόμενη θερμική διαστολή. Γενικά, έχουν πολύ υψηλό μέτρο ελαστικότητας και υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, ίση περίπου με 7 GPa. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας (CFRPs) έχουν υψηλή χημική αδράνεια και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαβρωτικό περιβάλλον. Αν και μερικές φορές μπορεί να παρατηρηθεί αστοχία υπό επαναλαμβανόμενη καταπόνηση, τα CFRPs γενικά έχουν καλύτερη συμπεριφορά κόπωσης από τα μέταλλα.

Οι ίνες αποτελούν μέσο ενίσχυσης συνθέτων υλικών, προσδίδοντας εξαιρετικό συνδυασμό αντοχής, μείωσης βάρους και ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Ωστόσο, το υψηλό κόστος αυτών των υλικών που οφείλεται κατά 50% στο κόστος της πρόδρομης ύλης, λειτουργεί απαγορευτικά για την εφαρμογή τους σε ευρύτερους τομείς εκτός της αεροδιαστημικής (π.χ. σε αεροσκάφη υψηλών προδιαγραφών, όπως το Airbus 320).

Πρόδρομες ίνες άνθρακα από ανανεώσιμες πρώτες ύλες

Πρόδρομη ίνα (precursor fiber) είναι μια ίνα που αποτελείται από 1.000 μέχρι 50.000 μονοϊνίδια. Η ποιότητα των πρόδρομων υλών συνεισφέρει καθοριστικά στις ιδιότητες της τελικής ΙΑ. Οι περισσότερες ΙΑ που χρησιμοποιούνται για εμπορικές και βιομηχανικές εφαρμογές προέρχονται από πρόδρομα υλικά βασισμένα στο πετρέλαιο, όπως πολυακρυλονιτρίλιο και μεσοφασική πίσσα. Η πιο σημαντική πρόδρομη ένωση που χρησιμοποιείται ευρέως στην αγορά είναι το πολυακρυλονιτριλίο (polyacrylonitrile - PAN). Εμπορικές ΙΑ παράγονται και από πίσσα, αλλά η κατεργασία και ο καθαρισμός της ίνας αυξάνουν σημαντικά το κόστος σε σχέση με αυτές του ΡΑΝ, με αποτέλεσμα να κατέχουν μικρό μερίδιο της αγοράς ΙΑ.

Η τεχνολογική πρόκληση: Τα πρόδρομα υλικά με βάση το πετρέλαιο είναι σχετικά ακριβά και συνεισφέρουν σε περισσότερο από το 50% του τελικού κόστους παραγωγής. Πολλά άλλα πολυμερή, όπως είναι η λιγνίνη και το μετάξι, έχουν στοχευθεί ως πιθανοί πρόδρομοι ΙΑ. Συγκεκριμένα για τη λιγνίνη, υπάρχει ένα ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον, το οποίο οφείλεται στην αφθονία του υλικού, την υψηλή περιεκτικότητά του σε άνθρακα, τη δυνατότητα ανακύκλωσής του και στο μικρό κόστος του σαν παραπροϊόν της βιομηχανίας χαρτιού και της εξόρυξης βιοκαυσίμων. Η λιγνίνη είναι εύκολα διατηρήσιμο υλικό ως πρώτη ύλη, το κόστος του οποίου είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητο από την τιμή των καυσίμων συγκριτικά με τις πρόδρομες ενώσεις τελευταίας τεχνολογίας (π.χ. PAN).

Οι αιτίες: Oι κύριες κινητήριες δυνάμεις για την έρευνα και ανάπτυξη νέων πρόδρομων ινών είναι:

1) Το αυξημένο κόστος των υπαρχόντων πρόδρομων υλών από παράγωγα του πετρελαίου (17$/kg για το PAN)

2) Η εξάρτηση των τιμών από τις τιμές του πετρελαίου

3) Οι απαιτήσεις σε μηχανικές ιδιότητες για εφαρμογές των ΙΑ στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι πολύ μικρότερες από ό,τι στην αεροδιαστημική

4) Η βελτιστοποίηση των διεργασιών ως προς την ενεργειακή κατανάλωση

5) Το άνοιγμα σε νέες αγορές (διεύρυνση της αγοράς ΙΑ, λόγω της μείωσης του κόστους διάθεσης).

 

H προσέγγιση στο πλαίσιο του Fibralspec

Ο βασικός στόχος στο πλαίσιο του έργου είναι να παρουσιάσει διαφορετικές πορείες για βελτίωση της παραγωγής ΙΑ, χρησιμοποιώντας εναλλακτικές πρόδρομες ενώσεις και κατάλληλη ρύθμιση των διεργασιών. Στο πλαίσιο του έργου παρήχθησαν ίνες λιγνίνης-πολυμερών με διαμέτρους της τάξης των δεκάδων μm μέσω ξηρής ινοποίησης και ινοποίησης τήξης. Στη συνέχεια ακολούθησε η σταθεροποίηση (Εικόνα 2) και έλεγχος των ιδιοτήτων των παραχθέντων ινών με τα πρώτα αποτελέσματα να είναι ενθαρρυντικά. Σε επόμενο στάδιο θα ακολουθήσει η βελτιστοποίηση της παραγωγής, με απώτερο σκοπό την εισαγωγή στην αγορά των εναλλακτικών πρόδρομων ενώσεων, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και αυξάνοντας τον όγκο της παραγωγής.

 

Oι καινοτομίες του Fibralspec

Νέας γενιάς υπερπυκνωτές (supercapacitors) με βάση νανοΐνες άνθρακα για συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (energy storage systems). Ένας πρωτότυπος προηγμένος και εύκαμπτος υπερπυκνωτής έχει παραδοθεί στο πλαίσιο του έργου ως αποτέλεσμα της συνεργασίας της ομάδας του ΕΜΠ με το Τμήμα Νανοτεχνολογίας (nanotechnology department) του Thales.

Ημιβιομηχανική γραμμή σταθεροποίησης συνεχούς παραγωγής (για την οξειδωτική επεξεργασία των πρόδρομων ΙΑ) έχει σχεδιαστεί, κατασκευαστεί και παραδοθεί. Η γραμμή είναι ένα πλήρως αυτοματοποιημένο συνεχές σύστημα, με τον χειρισμό να επιτυγχάνεται μέσω ενός πίνακα ελέγχου αφής που προσφέρει τη δυνατότητα προσομοίωσης μιας παραγωγικής διαδικασίας, σε βιομηχανική κλίμακα με υψηλή ακρίβεια όσον αφορά τον έλεγχο της θερμοκρασίας και της τάσης.

Έχει πραγματοποιηθεί η σύνθεση οικολογικών πρόδρομων ενώσεων με βάση τη λιγνίνη και έχουν μελετηθεί μείγματα με πολυμερή. Ακολούθως, έχουν ινοποιηθεί μέσω των τεχνικών της ξηρής ινοποίησης και ινοποίησης τήγματος.

Έχει εγκατασταθεί στο ερευνητικό ινστιτούτο IPMS της Ουκρανίας γραμμή συνεχής τροποποίησης ΙΑ για την παραγωγή υλικών με ενισχυμένες ιδιότητες χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια που παράγονται από φυτικές πρώτες ύλες.

Έχουν αναπτυχθεί πρωτόκολλα ανάλυσης της μηχανικής συμπεριφοράς της διεπιφάνειας ίνας-μήτρας με μια γρήγορη και μη καταστρεπτική μέθοδο στο πλαίσιο της συνεργασίας της ομάδας του ΕΜΠ με την ερευνητική ομάδα Μηχανικής των Επιφανειών (Surface Engineering Research Group) του Πανεπιστημίου του Μπέρμινχαμ (University of Birmingham).

 

Το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα Fibralspec, που βρίσκεται στον τελευταίο χρόνο υλοποίησής του, διερευνά την παραγωγή IA από πράσινες πρόδρομες πρώτες ύλες με σκοπό τη μείωση του κόστους και τη βελτιστοποίηση των διεργασιών. Στο πλαίσιο του έργου σημαντικές καινοτομίες όπως υπερπυκνωτές με βάση νανοΐνες άνθρακα, πρωτότυπες γραμμές παραγωγής και τροποποίησης, καθώς και νέα πρωτόκολλα βρίσκουν ήδη εφαρμογή. Τα αποτελέσματα του έργου και στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού cluster μπορούν να αξιοποιηθούν περαιτέρω. Αυτό θα έχει θετικά αποτελέσματα που ξεπερνούν την ερευνητική κοινοπραξία που υλοποιεί την έρευνα. Τα θετικά αποτελέσματα αφορούν τη μείωση της εξάρτησης της ευρωπαϊκής βιομηχανίας από τον ανεφοδιασμό της σε ΙΑ, συμβάλλοντας στην επίτευξη ενός στρατηγικού στόχου, την αύξηση της συνεισφοράς της ευρωπαϊκής βιομηχανίας στο Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν της Ε.Ε.

Οι συνεργαζόμενοι φορείς

1. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (Ελλάδα, συντονιστής)

2. Politecnico di Torino (Ιταλία)

3. University of Birmingham (Ηνωμένο Βασίλειο)

4. Euromobilita S.R.O. (Τσεχία)

5. Thales Research and Technology (Γαλλία)

6. Global Safe Guard Ltd (Ηνωμένο Βασίλειο)

7. Open Source Management Ltd (Ηνωμένο Βασίλειο)

8. Anthony, Patrick & Murta Exportação (Πορτογαλία)

9. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science (Ουκρανία)

10. CTM Ltd (Ηνωμένο Βασίλειο)

11. CB Yuzhnoye (Ουκρανία)

 

ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΑΘ. ΔΡΑΓΑΤΟΓΙΑΝΝΗΣ,

ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Α. ΧΑΡΙΤΙΔΗΣ

Short Bios:

Ο Δ. Δραγατογιάννης, μαθηματικός Εφαρμογών, είναι ερευνητής στην Ερευνητική Μονάδα Προηγμένων, Σύνθετων, Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας (R-NANO) της Σχολής Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ.

Ο Κ.Α. Χαριτίδης, καθηγητής στη Σχολή Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ, είναι επικεφαλής της Ερευνητικής Μονάδας Προηγμένων, Σύνθετων, Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας (R-NANO).

 

Το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα FIBRALSPEC διερευνά την παραγωγή και την αξιοποίηση εναλλακτικών πρώτων υλών για την παραγωγή ινών άνθρακα.

Δείτε όλα τα σχόλια