Ανακύκλωση πολυμερικών σύνθετων υλικών
Τα σύνθετα υλικά έχουν ένα τεράστιο εύρος εφαρμογής αλλά η ανακύκλωσή τους παρουσιάζει δυσκολίες, οι οποίες αποτελούν πρόκληση για τη βιομηχανία και την κυκλική οικονομία της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Το Εργαστήριο RNanoLab της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου συμμετέχει ενεργά σε αυτή την προσπάθεια, χρησιμοποιώντας σύνθετα υλικά νέας γενιάς που ανακυκλώνονται εύκολα μετά το πέρας της ζωής τους.
Άρθρο του κ. Κώστα Χαριτίδη*
Τα τελευταία 30 χρόνια τα σύνθετα υλικά (composite materials) έχουν τεράστιο εύρος εφαρμογών στη σύγχρονη ζωή και αποτελούν πια αναπόσπαστο κομμάτι των νέων τεχνολογιών. Πρόκειται για συνθέσεις δυο ή περισσότερων υλικών, με μοναδικό συνδυασμό ιδιοτήτων, και αποτελούνται από τη μήτρα και την ενίσχυση. Η μήτρα μπορεί να είναι κεραμική, μεταλλική ή πολυμερική, ενώ η ενίσχυση μπορεί να απαντάται με τη μορφή ινών, σωματιδίων ή νιφάδων.
Τα πιο συνηθισμένα σύνθετα υλικά είναι εκείνα με πολυμερική μήτρα, ενισχυμένα με ίνες. Μάλιστα οι πιο διαδεδομένες ίνες είναι τα υαλονήματα (Fibreglass) και τα αθρακονήματα (carbon fibres). Οι συνδυασμοί των υλικών αυτών είναι πολυποίκιλοι, με αποτέλεσμα το πλήθος των εφαρμογών τους να ξεκινάει από απλές χρήσεις στην καθημερινότητα μέχρι σαφώς πιο εξειδικευμένες, όπως είναι η κατασκευή υλικών για χρήση στο διάστημα.
Δυστυχώς, όμως, τα σύνθετα υλικά, και ειδικά τα θερμοσκληρυνόμενα, έχουν δύσκολο τέλος ζωής. Η ανακύκλωσή τους αποτελεί μεγάλη πρόκληση για τη βιομηχανία και για το ευρύτερο Πράσινο Σχέδιο Δράσης προς την κυκλική οικονομία της Ευρωπαϊκής Ένωσης, που δημοσιεύτηκε το 2020 (Green Deal – Circular Economy).
Η ρύπανση του περιβάλλοντος είναι πλέον αδιαμφισβήτητο γεγονός. Στόχος, λοιπόν, της Ευρωπαϊκής Ένωσης είναι να επιτύχει χαμηλές εκπομπές άνθρακα και αποτελεσματική αξιοποίηση των φυσικών πόρων της μέχρι το 2050. Και καθώς η βιώσιμη οικονομία βασίζεται σε έναν κύκλο ζωής, είναι απαραίτητη η ανακύκλωση, ανάκτηση και επανεπεξεργασία και των σύνθετων υλικών.
Το Εργαστήριο RNanoLab της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, σε μια προσπάθειά του να ενισχύσει την κίνηση για μια πράσινη οικονομία, συμμετέχει ενεργά στην ανακύκλωση σύνθετων υλικών αλλά και στη μελλοντική εξέλιξή τους, χρησιμοποιώντας σύνθετα υλικά νέας γενιάς για γρηγορότερη και αμεσότερη ανακύκλωσή τους μετά το πέρας της ζωής τους («end of life»).
Μέχρι σήμερα, οι χώροι υγειονομικής ταφής αποτελούν τον τελικό προορισμό των σύνθετων υλικών όταν αυτά φτάνουν στο τέλος της ζωής τους (βλ. εικόνα 1). Αυτή η πρακτική ωστόσο έχει σημαντικές επιπτώσεις για το περιβάλλον.
Για το λόγο αυτό οι ευρωπαϊκές χώρες έχουν αρχίσει να περιορίζουν ή ακόμα και να απαγορεύουν την υγειονομική ταφή των σύνθετων υλικών.
Το RNanoLab καινοτομεί στον τομέα με τρία ευρωπαϊκά προγράμματα που διαχειρίζεται, έχοντας στόχο την ανάπτυξη ανακυκλώσιμων υλικών καθώς και τη μείωση των πρώτων υλών με νέες μεθόδους.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το Carbo4Power (βλ. εικόνα 2), που εστιάζει στην παραγωγή πτερυγίων από νέα σύνθετα υλικά, με νέες διεργασίες παραγωγής και συναρμολόγησης, για υποθαλάσσιες –και μη– ανεμογεννήτριες (offshore wind and tidal blades).
Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των πτερυγίων είναι σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, ενισχυμένα με υαλονήματα και ανθρακονήματα. Ενώ όμως τα υλικά τους θεωρούνται ανακυκλώσιμα, υπάρχουν ανησυχίες για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις λόγω των σχετικών εκπομπών άνθρακα κατά την αποσύνθεσή τους. Πέραν αυτού, το κόστος των πρώτων υλών εκτινάσσεται, καθώς η ζήτηση υαλονημάτων και ανθρακονημάτων προβλέπεται να αυξηθεί πάνω από 30% την επόμενη 10ετία.
Για τους παραπάνω λόγους, η επιστημονική κοινότητα ερευνά μια σειρά από διαφορετικές τεχνολογίες, με σκοπό την ανάκτηση ινών από τα σύνθετα υλικά, καθώς και νέους τρόπους επαναχρησιμοποίησής τους μετά το τέλος της ζωής τους.
Ανάλογα με τον τύπο των σύνθετων υλικών που πρόκειται να ανακυκλωθούν, τα επίπεδα τεχνολογικής ετοιμότητας (TRL) αλλάζουν για κάθε διεργασία ανακύκλωσης. Οι διεργασίες αυτές χωρίζονται σε θερμικές, μηχανικές και χημικές (βλ. πίνακα ).
Διεργασίες ανακύκλωσης
- Η θερμική ανακύκλωση περιλαμβάνει καύση της μήτρας και ανάκτηση των ινών για επαναχρησιμοποίηση. Η πυρόλυση φτάνει μέχρι και τους 500 – 600οC, διασπώντας το πολυμερές. Το αέριο που παράγεται, αναλόγως του είδους του πολυμερούς, μπορεί να είναι υδρογόνο, μεθάνιο, αιθάνιο ή προπάνιο, που μπορεί να τροφοδοτήσει ξανά τη διαδικασία. Το 95% των πλαστικών μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, ενώ και οι ίνες ανακτώνται και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν μετά από επιφανειακή διεργασία (sizing). Ωστόσο, η μηχανική αντοχή των ινών μπορεί να μειωθεί σημαντικά από τη διαδικασία της πυρόλυσης. Για παράδειγμα, οι ίνες άνθρακα έχουν πολύ υψηλή ανοχή στη θερμότητα και στη θερμική υποβάθμιση (περίπου μέχρι τους 600οC). Από την άλλη, σε θερμοκρασίες άνω των 150οC υποβαθμίζονται οι μηχανικές ιδιότητες που έχουν οι ίνες γυαλιού, αναλόγως με την αύξηση της θερμοκρασίας (από 20-60%).
- Η μηχανική ανακύκλωση αποτελείται από δυο βασικές μεθόδους, τη μηχανική άλεση και το μηχανικό τεμαχισμό, και το τελικό προϊόν μπορεί να εξαχθεί αντίστοιχα με τη μορφή κονιοποιημένου υλικού ή κοντών ινών. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτής της διεργασίας είναι το χαμηλό κόστος και η χαμηλή ενέργεια ανακύκλωσης, όπως επίσης το γεγονός ότι δεν απελευθερώνονται επικίνδυνα υγρά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Παρ’ όλα αυτά, η απελευθέρωση λεπτής σκόνης μπορεί να είναι βλαβερή για τους εργαζομένους, και για αυτό θα πρέπει σε κάθε περίπτωση να λαμβάνονται αυστηρές προφυλάξεις. Αναμφισβήτητα, και εδώ, η μείωση του συνεχόμενου μήκους των ινών προκαλεί υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων.
- Η χημική ανακύκλωση συνίσταται από διάφορες μεθόδους, οι οποίες περιλαμβάνουν επεξεργασία του σύνθετου υλικού με τη χρήση θερμότητας και διαλύτη για την αποικοδόμηση της ρητίνης, επιτρέποντας έτσι την ανάκτηση των ινών. Η σολβόλυση είναι μία από τις πιο διαδεδομένες χημικές μεθόδους, προσφέροντας ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων επεξεργασίας και χρησιμοποιώντας διαφορετικούς διαλύτες, θερμοκρασίες, πιέσεις και καταλύτες. Έχει αποδειχτεί ότι τα ανθρακονήματα μπορούν να διατηρήσουν μέχρι και το 90% των ιδιοτήτων τους εάν εφαρμοστούν οι κατάλληλες προϋποθέσεις, όσον αφορά το διαλύτη, τη θερμοκρασία κτλ. Ωστόσο τα υαλονήματα είναι ευπαθή και σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και σε όξινες / αλκαλικές συνθήκες, και έτσι η υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων είναι αναπόφευκτη.
Επανεπεξεργασία
Μετά το στάδιο ανάκτησης από το αρχικό σύνθετο υλικό, μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί τουλάχιστον ένα υλικό. Το στάδιο αυτό είναι γνωστό και ως επανεπεξεργασία ανακτημένων συνθέτων υλικών. Στις περισσότερες περιπτώσεις επικεντρώνεται στα υλικά υψηλής αξίας του σύνθετου υλικού, όπως είναι οι ίνες, η μείωση του μήκους των οποίων, όμως, επηρεάζει αρνητικά τη μηχανική συμπεριφορά των υλικών.
Οι ίνες ανακτώνται και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν μετά από επιφανειακή διεργασία (sizing), η οποία αυξάνει την πρόσφυση μεταξύ των ινών και της μήτρας. Συνήθως η επιλεγόμενη μέθοδος ανάκτησης επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ανακτάται η μήτρα.
Τα θερμοσκληρυνόμενα υλικά, επί παραδείγματι, των οποίων οι χημικοί δεσμοί διασταυρώνονται κατά τη σκλήρυνση σχηματίζουν μόνιμες χημικές ενώσεις, οι οποίες είναι μη αναστρέψιμες και κατά συνέπεια απαιτούνται ακραίες συνθήκες για να διασπαστούν. Αντιθέτως, τα θερμοπλαστικά υλικά είναι δυνατό να θερμανθούν και να αναμορφωθούν ξανά και ξανά, καθώς οι χημικοί τους δεσμοί μπορούν να σπάσουν εύκολα. Σε κάθε περίπτωση, η μεγάλη πρόκληση είναι ο διαχωρισμός των δύο υλικών για να επιτευχθεί ο κύκλος ζωής των συνθέτων .
Εν κατακλείδι, η ανακύκλωση των συνθέτων υλικών είναι ένα από τα φλέγοντα ζητήματα στο χώρο της βιομηχανίας. Η αιολική ενέργεια έχει χρησιμοποιήσει 2,5 εκατομμύρια τόνους σύνθετων υλικών μέχρι το 2020. Δεδομένου λοιπόν ότι το εύρος ζωής μιας ανεμογεννήτριας είναι 20 έως 30 χρόνια, η προηγούμενη γενιά ανεμογεννητριών φτάνει στο τέλος της και είναι φανερό πως η ανάγκη ανακύκλωσης υλικών είναι επιτακτική. Πρέπει, λοιπόν, να ερευνηθούν νέες τεχνολογίες όχι μόνο για την ανακύκλωση των σύνθετων υλικών αλλά και για την αύξηση του χρόνου ζωής τους.
*Ο κ. Κώστας Χαριτίδης είναι καθηγητής της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, επικεφαλής του «Εργαστηρίου Προηγμένων και Συνθέτων Υλικών, Νανοϋλικών, Νανοδιεργασιών και Νανοτεχνολογίας».
