Forrás: mta,hu

Toldy Andrea vegyészmérnök már tudományos diákköri munkája során is térhálós polimerekkel foglalkozott. A polimereknek két fő típusuk van: a hőre lágyuló és a térhálós polimerek. Az előbbi csoport tagjai adott hőmérséklet felett megolvaszthatók, így könnyű őket újrahasznosítani. E polimerek közé tartozik számos, a mindennapi gyakorlatból is ismert tömegműanyag.

A térhálós polimerek mennyiségben kisebb hányadát adják a műanyagoknak, viszont a tömegükhöz képest nagy a jelentőségük, mert tulajdonságaik miatt igen különleges felhasználási területeken alkalmazhatjuk őket – ott is, ahol a hőre lágyuló polimerek nem használhatók.

„A térhálós polimerek jellemzően műszaki műanyagok, kiválóak a mechanikai tulajdonságaik, így általában tartós termékeket állítanak elő belőlük – mondja Toldy Andrea. – Gyártanak belőlük szélturbinalapátokat, repülőgép-alkatrészeket, és más járműipari felhasználásuk is gyakori. Vagyis nagy igénybevételnek kitett szerkezeti alkatrészek előállítására használják őket.”

A térhálós polimereket a szilárdság további növelése érdekében szálerősítéssel látják el, vagyis a polimer erősítőanyaggal egészül ki. A polimer e műanyagokban gyakorlatilag a ragasztóanyag funkcióját látja el, a szálerősítő anyag pedig a teherviselő komponens. Utóbbi összetevő csúcstechnológiai alkalmazás esetén jellemzően szénszál. A mai repülőgépek több mint 60 százaléka már ilyen polimerkompozitból készül, hiszen nagy előnyük, hogy kiváló mechanikai tulajdonságaik mellett sokkal könnyebbek a fémeknél. A kisebb tömeg miatt csökken a repülőgép fogyasztása, emellett pedig ezen anyagok korrózióállóak, ami tartósabbá és biztonságosabbá teszi például a repülőkben való alkalmazásukat.

E térhálós rendszereknek – ahogyan a nevük is sejteti – háromdimenziós a kémiai szerkezetük, ezért a hőre lágyuló műanyagokkal szemben nem olvaszthatók meg. Az utóbbi évtizedekben egyre nőtt e térhálós polimerek felhasználása, így mára eljutottunk oda, hogy az egyre nagyobb mennyiségben termelődő polimerhulladék kezelése növekvő gondot okoz. Az ilyen anyagokból készült repülőgépek élettartama is véges, így 20-30 év után leselejtezik őket, a keletkező nagy mennyiségű polimerhulladékot pedig kezelni kell.

„Szükség van olyan módszerekre, amelyek segítségével a térhálós polimerekből keletkező hulladékot újra lehet hasznosítani – érvel Toldy Andrea. – Minthogy ezek az anyagok nem olvaszthatók meg, esetükben jelenleg csupán egyetlen újrahasznosítási módszer működik ipari léptékben: a pirolízis. A pirolízis működési elve szerint oxigén nélküli környezetben bontják el a polimert, majd a belőle keletkező bomlástermékeket jellemzően elégetik. Ezáltal a bennük rejlő energia hasznosul, de magát a polimert jelenleg nem hasznosítják újra, csak a pirolízis után a kompozitból visszamaradt termikusan stabil szálerősítést.”

Viszont ilyen magas hőmérsékleten még a karbonszálak is sérülnek, és nem marad meg az eredeti előnyös struktúrájuk. Összefoglalva tehát:

a térhálós polimerek és kompozitjaik újrahasznosítása egyáltalán nincs megoldva, és mind ipari, mind környezetvédelmi szempontból szükség lenne új, újrahasznosításra tervezett polimerrendszerekre.

A Lendület-kutatócsoport pedig pontosan ilyen eljárások és új anyagok fejlesztését tűzte ki célul.

„E projektben többek között egy teljesen új anyagcsaláddal, a vitrimerekkel fogunk foglalkozni, amelyek tulajdonságai a hőre lágyuló és a térhálós rendszerek között helyezkednek el – folytatja a kutatócsoport-vezető. – Ezen anyagok előállítását 2011-ben publikálták először, és a szerkezetük kémiai alapját a dinamikusan átrendeződő kettős kötések jelentik. E jelenség már régebb óta ismert volt, de polimerekben korábban nem alkalmazták.”

A vitrimerek tulajdonságai tehát hidat képeznek a könnyen újrahasznosítható hőre lágyuló, és a különleges mechanikai jellemzőkkel bíró térhálós polimerek között. A vitrimereknek ugyanolyan 3D-s anyagszerkezetük van, mint a térhálós polimereknek, de egy adott hőmérséklet felett meg lehet őket olvasztani. Sőt, akár öngyógyuló tulajdonsággal is fel lehet ruházni őket, és felmelegítve javítani is lehet e kompozitokat. Vagyis egyesítik magukban az eddig élesen elkülönülő műanyagcsoportok előnyös jellemzőit.

Toldy Andrea szerint a vitrimerek fejlesztése jelenleg igen kezdetleges állapotban van, de hamarosan áttörést jelenthet a kompozitiparban. Emiatt világszerte számos kutatócsoport vizsgálja őket, hiszen számos megoldandó probléma sikeres leküzdésétől függ az, hogy a vitrimereket például a repülőgépiparban is hasznosítani lehessen. Az egyik elvárás, hogy a vitrimertechnológia beépíthető legyen a mostani gyártósorokba, illetve hogy a vitrimerek úgynevezett üvegesedési átmeneti hőmérséklete alkalmassá váljon az alkalmazásra. Az üvegesedési átmeneti hőmérséklet az a határ, amely alatt biztonsággal lehet használni e polimerkompozitokat, mert felette a mechanikai tulajdonságaik, mint a szilárdság és merevség, jelentős mértékben lecsökkenek.

A kutatócsoport együttműködik egy amerikai céggel, amely várhatóan a közeljövőben elsőként fog ipari méretekben vitrimereket előállítani.

Már elkezdték az anyaggal végzett előkísérleteket. Igyekeznek kidolgozni a polimerkompozitok előállítási technológiáját és az újrahasznosításuk módszereit. Céljuk, hogy az eredeti szálas struktúra formájában visszanyerjék az erősítőanyagot, ami bizonyos oldószerek használatával megvalósítható. Most azt vizsgálják éppen, hogy milyen oldószerrel és milyen paraméterek között célszerű az újrahasznosítást végezni. Ha sikerül visszanyerniük az eredeti, jó minőségű szénszálas erősítést, akkor meg fogják vizsgálni a tulajdonságait, illetve a belőle újra előállított kompozitok jellemzőit.

„Emellett foglalkozunk a vitrimerrendszerek égésgátlásával is, ami azért rendkívül fontos, mert a járműiparban, illetve a repüléstechnikában e kompozitok kiválthatják a fémeket – mondja Toldy Andrea. – Viszont a kompozitok polimermátrixa általában jól éghető, hiszen a legtöbbjük kőolajszármazék, így nagyon jó égéshővel rendelkeznek. Vagyis biztonságtechnikai szempontból fontos, hogy égésgátolttá tegyük őket. Ne gyulladjanak be, és ha mégis begyulladnak, kicsi legyen a hő- és károsanyag-kibocsátásuk. Az égésgátlást különféle adalékanyagokkal is el lehet érni (ezt nevezik additív égésgátlásnak), de magába a polimerrendszerbe is beépíthetünk olyan, például foszfortartalmú alkotóelemeket, amelyek égésgátolttá teszik az anyagot. Mi ezt az irányt követjük majd. E megközelítésnek az az előnye, hogy nem vándorol ki adalékanyag a polimer felszínére, és kisebb mennyiség is elegendő belőle a hatékony égésgátláshoz.”