KAJ SO ?

Ste že slišali za “fiberglas”? Zagotovo! Gre za osnovni material poliester, kateremu so dodana steklena vlakna za njegovo ojačanje. Dobimo t.i. kompozit. Polimeri, ojačani z vlakni (t.i. FRP), so podmnožica mnogo širšega pojma, to je pojma kompozitov.

Začnimo z opredelitvijo kompozitov. Slovar slovenskega knjižnega jezika “kompoziten” opredeljuje kot “sestavljen, zložen”. Gre za material, ki združuje dva ali več materialov z različnimi lastnostmi. Ko jih združimo, dobimo material z izboljšanimi lastnostmi, na primer, postane močnejši, lažji ali odporen na elektriko. Izboljša se lahko tudi trdnost in togost. Razlog za njihovo uporabo v primerjavi s tradicionalnimi materiali je v tem, da izboljšujejo lastnosti osnovnih materialov in so uporabni v številnih situacijah.

Pri polimernih kompozitih so najpogosteje uporabljene armature steklena, ogljikova in aramidna vlakna, veziva pa so navadno duromeri, npr. epoksidne smole, nenasičeni poliestri ali fenolne smole, pa tudi nekateri plastomeri. S kombinacijo polimerne matrice in armature dobimo nov material – kompozit z odličnimi mehanskimi lastnostmi in odpornostjo proti različnim vplivom (kemijskim, temperaturnim, abraziji…) ter z daljšo obstojnostjo, kot jo imajo posamezne komponente kompozita. Vloga polimerne matrice je, da poveže vlakna med seboj (vlakna so navadno 50-krat močnejša in 20-150-krat bolj toga od matrice), da zmorejo prenašati obremenitve, hkrati pa jih tudi ščiti pred zunanjimi vplivi. Vir informacij.

Oblikovanje polimernih kompozitov poteka z različnimi postopki oblikovanja, pri katerih se s kalupom ali orodjem predhodno oblikujejo vlakna, ki so suha vlakna ali vlakna, ki vsebujejo določen delež smole. Po “navlaženju” suhih vlaken s smolo pride do “strjevanja”, pri čemer vlakna in matrica prevzamejo obliko kalupa. V tej fazi se občasno uporabljata toplota in pritisk. Različne metode med drugim vključujejo stiskanje, oblikovanje mehurjev, ovijanje trna, avtoklav, navijanje filamentov in mokro plastenje. Vir informacij.

Matrice

Vloga matrice v polimeru je, da oblije in fiksira vlakna v določenem položaju, da absorbira energijo, ki je posledica obremenitve materiala, tako, da se pod vplivom napetosti deformira in nudi kompresijsko trdnost.

Za polimerne matrice se uporabljajo pretežno duromeri: epoksidne smole, poliestri, fenolne smole, poliimidi, cianatne smole (produkti fenolnih smol in cianatov ali cianuratov) itd. Ima pa uporaba plastomerov določene prednosti: hitrejši in enostavnejši postopek izdelave, možnost recikliranja (uporaba odpadkov), možnost popravila poškodovanih delov, čas skladiščenja prepregov ni omejen (to je pomemben omejitveni faktor pri duromerih), manjša absorpcija vlage. Pomanjkljivosti so: slabša adhezija na vlakna, slabša odpornost proti kemijskim vplivom in abraziji. Najpomembnejši plastomeri za izdelavo polimernih kompozitov so: poliimidi (PI) v nezamreženi obliki, polieter-eterketon (PEEK), polifenilen sulfid (PPS), polietilensulfon (PES), polietilentereftala t (PET), polieterimid (PE1), polipropilen (PP), polietilen (PE) itd.

V nadaljevanju predstavljamo načine proizvodnje FRP kompozitov.

UPORABA FRP

Izdelke iz FRP se pretežno uporablja v letalski, avtomobilski in elektroindustriji ter ladjedelništvu, čedalje več pa tudi v gradbeništvu. V prihodnosti se obeta rast trga izdelkov iz FRP, kar pomeni, da bo industrija FRP tudi v prihodnje ostala pomembno gonilo napredka v Evropski uniji. Ravno tako lahko pričakujemo zelo veliko povečanje uporabe v gradbeništvu.  

PREDNOSTI IN SLABOSTI

Strokovnjaki ocenjujejo, da so to materiali prihodnosti, saj njihove prednosti velikokrat odtehtajo njihove slabosti. Je pa potreben podrobnejši premislek, kdaj, kje in zakaj se FRP v gradbeništvu uporabljajo, saj od tega zavisi, ali so prednosti pred slabostmi. Velik poudarek v zadnjem času je na ravnanju z odpadki, saj je znano, da je reciklaža/predelava teh odpadkov izjemno zahtevna.

Prednosti

Druge potencialne prednosti so v seizmičnih nadgradnjah, edinstvenih zahtevah obrambnih sistemov, vesoljskih sistemih in oceanskih okoljih. Te koristi se lahko uresničijo zaradi fizikalnih lastnosti FRP in njihovega potenciala pri razvoju konstrukcijskih sistemov z življenjsko dobo, ki presega življenjsko dobo tradicionalnih materialov. Majhna teža kompozitov lahko povzroči nižje stroške gradnje in večjo hitrost gradnje, kar ima za posledico manjše vplive na okolje. Visoka trdnost in togost kompozitnih materialov FRP lahko zahtevata manj materiala za doseganje podobnih lastnosti kot tradicionalni materiali, kar zmanjšuje uporabo virov in nastajanje odpadkov.

Pearson et al (2011).: CFRP, GFRP in BFRP imajo enako, če ne celo večjo natezno zmogljivost v primerjavi z jeklom. Poleg tega so lahki (lažji od jekla) in imajo specifično togost. te lastnosti še povečujejo repertoar FRP, ki so primerni za gradnjo. Nedavne študije o kemičnem testiranju BFRP so pokazale veliko odpornost na kisline in alkalije. Ta inertnost je odlična lastnost, ki zagotavlja daljšo življenjsko dobo konstrukcij. Visoka zaradi visoke temperaturne odpornosti je BFRP postal tudi izbira za konstrukcije, ki izboljšujejo požarno odpornost. Matthys in drugi (2009).

Konstrukcijski profili in armaturne palice iz tega materiala dosegajo natezno trdnost okoli tisoč megapaskalov (MPa) pri gostoti dva tisoč kilogramov na kubični meter (kg/m3). Torej je skoraj štirikrat lažji material in je lahko dvakrat močnejši od jeklenih armaturnih palic. Poleg odličnih mehanskih lastnosti so kompozitni izdelki tudi korozijsko obstojni, kar poceni in poenostavi vzdrževanje ter podaljšuje življenjsko dobo objektov, armiranih s kompozitno armaturo. Stekloplastika ne prevaja električnega toka, zato je pri vgradnji ni treba ozemljiti, torej jo lahko vgrajujejo v konstrukcije, ki zahtevajo nizko električno prevodnost ali elektromagnetno nevtralnost. Predvsem so to temelji za telekomunikacijske oddajnike ali specializirane vojaške konstrukcije.

Slabosti

Kljub vsemu imajo kompozitni izdelki tudi slabosti. Zaradi slabše duktilnosti (kovnosti) stekloplastike ni mogoče kriviti, prav tako je za mehanske poškodbe bolj občutljiva od jeklene armature. Zato je vse potrebne dele treba izdelati v proizvodnji ali uporabiti različne nastavke oziroma spojne kose. Prav tako so kompozitne armature manj odporne proti visokim temperaturam, ki lahko nastanejo ob požarih. Zato je uporaba teh materialov za armiranje zidov zadovoljive debeline, ki upočasnjujejo širjenje toplote ob požaru, omejena. Kompozitna armatura je seveda primerna za objekte, kjer odpornost proti požaru nima večjega pomena. Gre predvsem za pomole, doke, mostove. Omenimo lahko »Floodway bridge« v Winnipegu v Kanadi, ki je s 43,5 metra največji nekovinski armirani most na svetu. Vir informacij.

FRP se soočajo s problemom široke sprejetosti v gradbeništvu in drugih panogah tudi zaradi trajnosti, težav z recikliranjem, začetnih stroškov in zakonodajnih predpisov. Okoljski dejavniki so eden izmed kritičnih elementov, ki vplivajo na industrijo kompozitov najbolj, pri čemer ima ravnanje z odpadki pomembno vlogo. Vir informacij.

Ker imajo izdelki na osnovi GFRP na splošno dolgo življenjsko dobo (20-25 let), odlaganje izrabljenih izdelkov še pred nekaj leti ni bilo glavna skrb. Vendar pa se bodo količine odpadkov iz GFRP izdelkov z zaključeno življenjsko dobo v naslednjih nekaj letih močno povečale in to je postalo še posebej zaskrbljujoče. Ocenjuje se, da je skupna količina odpadnih snovi in proizvodnih odpadkov, nastalih na trgu kompozitov GFRP v Evropi, leta 2015 dosegla 304.000 ton (vir: Santos Ribeiro in sod., 2016). 

Ob upoštevanju zgornjih podatkov postaja ravnanje z odpadki iz FRP vse bolj pomembno vprašanje. Medtem, ko je materiale FRP na osnovi termoplastov mogoče enostavno reciklirati s ponovnim taljenjem in preoblikovanjem, je recikliranje izdelkov FRP na osnovi duroplastičnih materialov s predelavo vlaken, težja naloga. Do zdaj sta bila odlaganje in sežiganje najpogostejša končna načina ravnanja za FRP odpadke iz termosetov. Glede na sedanjo in prihodnjo okvirno zakonodajo EU o ravnanju z odpadki ter naraščajočo ceno odlaganja odpadkov te končne poti postopoma ne bodo več na voljo. V Veliki Britaniji, po podatkih iz literature, stroški odlaganja in transporta za eno tono odpadnega FRP znaša med 120 in 130 funtov. Direktiva EU o odlaganju odpadkov na odlagališčih (1999/31/ES) je močno omejila količino organskih odpadkov, ki jih je dovoljeno odlagati na odlagališčih. FRP materiali so namreč sestavljeni iz organskih veziv in smol. 

Okvirna direktiva o odpadkih 2008/98/ES določa, da “države članice sprejmejo potrebne ukrepe, s katerimi dosežejo, da se do leta 2020 najmanj 70 % (po teži) nenevarnih gradbenih odpadkov in odpadkov pri rušenju … pripravi za ponovno uporabo, reciklira ali drugače snovno predela”. Nekatere države članice so odlaganje kompozitnih odpadkov že prepovedale (npr. Nemčija in Nizozemska). Nemčija je odlaganje prepovedala leta 2005 (t.i. TASi), predvsem zaradi visoke gorilne vrednosti in vsebnosti organskih snovi. Sežiganje je lahko problematično zaradi težav v zgorevalni komori (t.i. glazing), nezgorelega dela žlindre v pepelu in tehnologije filtriranja.   

Piroliza je uporabna za CFRP, vendar je draga. Solvoliza ima podobne omejitve (cena, kvaliteta). Dejansko trga za recikliran GFRP še ni in ga je potrebno ustvariti. Omenja se tudi uporaba odpadkov iz FRP kot sosežig v cementni industriji. Več o metodah in načinih recikliranja odpadkov iz FRP pa si lahko preberete v poglavju “Možnosti predelave”. Vir informacij. 

Slovenska Uredba o odlagališčih odpadkov (http://www.pisrs.si/Pis.web/pregledPredpisa?id=URED6660) za komunalne odpadke določa:  

“Na odlagališču za komunalne odpadke je dovoljeno odlaganje mešanih komunalnih odpadkov, ki so obdelani v skladu s 6. členom te uredbe in njihova kurilna vrednost ne presega 6.000 kJ/kg suhe snovi, vsebnost TOC ne presega 18 odstotkov mase suhih obdelanih komunalnih odpadkov in sposobnost sprejemanja kisika, izražena v AT4, ne presega mejne vrednosti 10 mg O2/g suhe snovi biološko razgradljivih odpadkov.”

Primer, kjer je zakonodaja EU na področju izrabljenih izdelkov iz FRP močno povezana z recikliranjem FRP, je direktiva o izrabljenih vozilih (2000/53/ES), ki zahteva, da mora biti od leta 2015 85 % teže izrabljenih vozil ponovno uporabnih ali primernih za recikliranje, pri čemer mora biti skupna predelava 95 %. V skladu s tem se lahko le 5 % do 10 % vozila odloži na odlagališču ali uporabi za pridobivanje energije. Vendar pa se odpadki FRP, ki nastanejo pri razstavljanju vozil, trenutno ne reciklirajo učinkovito.  

Ker odpadki na osnovi FRP nimajo posebne klasifikacijske številke za odpadke, se običajno ne ločujejo in so lahko pomešani v več tokovih odpadkov, ki na koncu končajo na odlagališčih (CEFIC, 2006).