A nagyfeszültségű kábelek szigetelésében vagy a szívós kompozitokban használt műanyagokat úgy tervezik, hogy a kikeményedés után soha többé ne olvadjanak meg. A mindennapi használatban ez előny, az újrahasznosításnál viszont komoly fejfájást okoz. Az európai VIT projekt csapata azt vizsgálta, hogy a kettő összeegyeztethető-e, és olyan anyagokat fejlesztett, amelyek színváltozással jelzik a sérülést, és hevítés után újra feldolgozhatók. A végén pedig tesztelheted, mennyi anyagmérnök lakik benned.
A hőre keményedő műanyagok ott bukkannak fel, ahol számít a szilárdság: kompozitokban, bevonatokban és nagyfeszültségen működő elektromos szigetelőkben. A legnagyobb előnyük egyben a legnagyobb hátrányuk is. Úgy tervezik őket, hogy a kikeményedés után ne olvadjanak meg, és ne folyjanak. Használat közben ezért stabilak, de amikor lejár az élettartamuk, nagyon nehéz újra hasznosítani őket.
Ezzel a problémával foglalkozott a VIT projekt csapata, amelyet az Európai Unió a Marie Skłodowska-Curie-akciók keretében finanszírozott, és amelyet az olaszországi Parmai Egyetem koordinált.
A kutatók a vitrimerekre tettek. Ezek olyan polimerek, amelyek használat közben úgy viselkednek, mint a hagyományos hőre keményedő műanyagok, de hevítéskor alakot változtathatnak, javíthatók és újra feldolgozhatók. A cél világos volt: olyan anyagokat fejleszteni, amelyek egyesítik a használati tulajdonságokat az újrahasznosítás lehetőségével.
A munka egyszerre több fronton zajlott. A kutatók a következőkkel foglalkoztak:
Az egyik kulcsfontosságú eredmény egy olyan anyagcsalád, amely a feszültséget, a karcolásokat, a nedvességet vagy az oxigén behatolását látható szín- vagy fluoreszcencia-változással mutatja. Ezt a mechanoforoknak nevezett különleges molekuláknak köszönheti.
„Mechanoforjainknak, azaz optikai molekuláinknak köszönhetően a sérülés, illetve a nedvesség vagy az oxigén átjutása puszta szemmel kimutatható, mert a repedések, az oxigén vagy a nedvesség egyértelmű színváltozást okoznak” – magyarázza Roberta Pinalli, a projekt koordinátora.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a kisebb karcolásokat és mikrorepedéseket el lehet kapni, mielőtt súlyosabb sérüléssé válnának. Fontos, hogy a kiválasztott rendszereknél az optikai válasz az anyag újrafeldolgozása után is megmaradhatott vagy helyreállítható volt. A jelzés tehát nem tűnik el a műanyag első életciklusával.
A projekt partnerei azt vizsgálták, hogyan állják meg a helyüket az új anyagok a nagyfeszültségű kábelek szigetelésében, a kompozitokban és a hőre keményedő alkatrészekben. A kábelek jó próbaterepet jelentenek, mert a szigetelésükhöz széles körben használt térhálós polietilént nehéz újrahasznosítani.
A csapat ezért lehetséges helyettesítőként polietilén alapú ionomereket és vitrimer-összetételeket tesztelt. Az eredmény ígéretes: elektromos tulajdonságaik a hagyományos anyagokéhoz hasonlónak bizonyultak.
A legnehezebb a mechanikai szilárdság megőrzése volt. Ez volt az újrafeldolgozásra legérzékenyebb tulajdonság. Ahogy Pinalli beszámol róla, a polietilén alapú anyagoknál „az újrahasznosítás után merevebb viselkedést figyeltünk meg”.
Ez a megfigyelés megerősíti, hogy az anyag újra feldolgozható, de mechanikai viselkedése erősen függ a feldolgozás előzményeitől és az újrahasznosítás körülményeitől. A kábelszigetelésben vagy a kompozitokban, ahol a paramétereknek hosszú ideig kiszámíthatónak kell maradniuk, ez kulcskérdés.
A kutatók azt is megmutatták, hogy a kiválasztott önjelző vitrimer rendszerek legalább négyszer újra feldolgozhatók úgy, hogy megőrzik funkcionális válaszukat. Több ciklust eddig nem teszteltek. A további feldolgozás után az anyagok kevésbé lettek rugalmasak, és bizonyos tekintetben mechanikailag gyengébbek, bár merevségük nagyjából változatlan maradt.
A csapat az ipar számára fontos feldolgozási módszereket is bemutatott: reaktív extrudálást, sajtolást és fröccsöntést, kiválasztott polietilén alapú rendszereken kipróbálva. Ennek ellenére a fő akadály az marad, hogy a laboratóriumi kémiát megbízható gyártássá kell átültetni.
„A feldolgozóberendezés a legnagyobb akadály, mert a vitrimerek feldolgozása reológiai szempontból elég különbözik a hőre lágyuló műanyagokétól: a viszkozitások jelentősen eltérnek, és a vitrimer viszkozitása magasabb, mint a hőre lágyuló műanyagé” – hangsúlyozza a koordinátor.
A vállalatoknak ez azt jelentené, hogy módosítaniuk kell a folyamat hőmérséklet-tartományait, a szárítási eljárásokat, a feldolgozási időket és a keverési feltételeket. Az új kémia önmagában nem elég, a gyártósoron is változtatni kell.
A VIT története jól mutatja, hány szakterület találkozik, amikor egyetlen műanyagon dolgoznak. Van molekuláris tervezés és polimerkémia, a kábelszigeteléshez kapcsolódó villamosmérnöki munka, valamint folyamatmérnöki és műanyag-feldolgozási tudás is. Ezek mindegyike hozzáteszi a maga darabját: egyesek azon dolgoznak, hogy az anyag repedéskor színt váltson, mások azt ellenőrzik, hogy még mindig jól szigetel-e, megint mások pedig azt keresik, hogyan lehet ipari méretekben extrudálni és formázni.
A VIT projekt megmutatta, hogy az okos vitrimerek képesek diagnosztizálni a sérülést, segíteni a javítását és lehetővé tenni az újrafeldolgozást. A ma használt, nehezen újrahasznosítható hőre keményedő műanyagok kiváltása azonban hosszú távú validálást, szabványosított vizsgálati módszereket és az ipar által megbízhatóan bevezethető eljárásokat igényel. A repedéskor színt váltó műanyagtól a villamos hálózatban működő kábelig tehát még hosszú az út, de az első lépéseket megtették.
5 kérdés · egy perc
English
Čeština
Deutsch
Español
Français
Magyar
Italiano
Polski
Português
Русский
Slovenčina
Türkçe
Українська
العربية
中文