Kompozitní materiály z přírodních zdrojů

Je proto přirozené, že se v této oblasti snaží prosadit i čeští vědci.

V nadpisu zmíněný len patří mezi hlavní favority u evropských výrobců kompozitních dílů. Vědecké práce dokazují, že lněné vlákno může být v mnoha oblastech vhodnou náhradou konvenčního vlákna skelného. V dílech s nižšími požadavky na mechanické vlastnosti tak dostává len prostor jako ekologická varianta. Dalším nesporným faktem je nižší energetická náročnost pěstování a zpracování lněného vlákna v porovnání s již zmíněným vláknem skelným. Lněná vlákna dnes proto nalezneme nejen v termoplastických materiálech jako plnivo, ale také jako nosnou část interiérových nebo exteriérových prvků u vozidel západních značek. Produkce lněných vláken v posledních několika letech přitáhla pozornost mnoha výrobců konvenčních výztuží, a tak se dočkáváme renesance v podobě obnovy lněných polí a produkce lnu, především v zemích, jako je Švýcarsko nebo Francie.

Chemické složení pryskyřic se od dob socialismu, kdy byla k dispozici pouze pryskyřice Epoxy 1200, dost změnilo. Evropská legislativa i veřejný zájem o ekologičtější materiály stále více tlačí producenty matric k tomu, aby ve svých produktech snížili obsah syntetických látek a nebezpečných sloučenin. V loňském roce vešla v platnost nová legislativa Reach 2023, která kromě jiného upravuje obsah některých diizokyanátů v tužidlech průmyslových hmot. To – a mimo jiné také snaha vytvořit kompozitní materiály více přívětivé k životnímu prostředí – přimělo výrobce začít přidávat do pryskyřic biologické složky. Proto se dnes stále častěji setkáváme s materiály, jejichž součástí jsou odpadní přírodní oleje nebo produkty získané zpracováním biologického odpadu, například slupek nebo rostlin ovocných plodin. Tyto pryskyřice již dosahují mechanických vlastností srovnatelných s vlastnostmi svých plně syntetických předchůdců a mnohdy mohou nabídnout i jednodušší proces recyklace nebo likvidace.

Není to tak dlouho, co nejběžnějším materiálem pro výrobu sendvičových struktur byly pěnové materiály na bázi PVC nebo PP. Tato doba je však již za námi a stejně jako sledujeme vývoj směrem k udržitelnosti a ekologické výrobě, pěnové materiály se mění také. Hlavní výrobci těchto systémů, jako je např. společnost 3A Composites, hledají nová materiálová řešení a nový životní cyklus výrobku. Běžným materiálem pro výrobu se tak staly pěnové systémy na bázi PET materiálů, vyráběných recyklačním procesem PET lahví a dalších PET výrobků. Vývoj v tomto směru nabral takové tendence, že některé dřeviny, jako je například balza, umožňují dosáhnout toho, aby produkce panelů pro sendvičovou strukturu z těchto materiálů byla uhlíkově záporná.

Čeští vědci a inženýři se v oblasti kompozitních materiálů aktivně zapojují do současných trendů. Je proto jasné, že i oblast biokompozitů nachází své příznivce. Tým pedagogů a vědců z Katedry materiálového inženýrství a chemie Stavební fakulty ČVUT v Praze se již několik let zabývá kombinováním výztuže na bázi přírodních materiálů s pryskyřicemi z přírodních materiálů a nekonvenčními aditivy. Jedním z nejnovějších výsledků výzkumu v této oblasti je vliv technického korundu na otěrové vlastnosti biokompozitních materiálů. Vzorky s příměsí technického korundu, vyrobené technologií vakuové infuze (resin-infusion), vykazovaly při abrazivních zkouškách, provedených dle EN ISO 5470-1:2016, desetinásobně nižší hodnoty abraze. Za pozornost stojí i výzkum, v jehož rámci byl biokompozitní sendvičový panel vytvořen kombinací lněných vláken, epoxidové pryskyřice s vysokým obsahem biosložky a balzového jádra. Testované skladby vykazovaly podobné mechanické vlastnosti jako konvenční sendvičové skladby na bázi syntetické výztuže a pěnového jádra.

Nejnovějším výzkumem na zmíněné katedře je nahrazení balzového nebo pěnového jádra materiálem vytvořeným pomocí technologie 3D tisku. Autor tohoto článku se spolu s kolegy z katedry materiálového inženýrství a chemie zabývá využitím pěnových termoplastických materiálů jako náhrady konvenčních pěnových panelů a souvisejícími možnostmi optimalizace výroby. Sendvičové struktury, vytištěné v požadovaném tvaru a velikosti, tak mohou zvýšit preciznost a efektivitu výroby kompozitních výrobků. Toto řešení nachází uplatnění napříč skupinami kompozitních materiálů a slouží k aplikaci nejen v biokompozitních sférách, ale i v těch konvenčních. Termoplasty s obsahem nadouvadel a pěnicích složek jsou pomocí technologie FDM 3D tisku tvarovány již do požadovaného 3D tvaru a rozměrů. Úpravou tiskových parametrů je možné reflektovat požadovanou hustotu materiálu nebo například tloušťku struktury v lokálních místech jádra tak, jak bylo analyzováno během procesu vývoje konstrukce. Tento způsob vnímání sendvičové struktury nebyl doposud tolik využíván, především proto, že konvenční pěnové systémy jsou dodávány v polotovarech – v plošném nebo kubickém formátu. Možnost takového způsobu reflektování mechanických nebo technických vlastností tak byla vždy limitována typem jádra nebo možnostmi opracování polotovaru do potřebné podoby. Tyto metody jsou však vysoce technologicky, energeticky a časově náročné. Řešení, s nímž výzkumný tým přichází, umožňuje zmíněné procesy opracování eliminovat a nejen tak zvýšit efektivitu využití materiálu, ale také šetřit čas. Současný výzkum se snaží vybrané mechanické vlastnosti těchto struktur porovnat s konvenčními pěnovými jádry a výsledky prezentovat i ve výrobní sféře.

Téma udržitelnosti a environmentální odpovědnosti kompozitních materiálů se stalo v posledních několika letech bodem číslo jedna. Toto odvětví nechce, aby na něj bylo nadále pohlíženo jako na producenta stoprocentního odpadu. Zmíněná technologie recyklace nebo druhotného zpracování odpadu v podobě příměsí je jedním ze směrů, kterými se vydává. Zohledňování životního cyklu materiálu a efektivity jeho zpracování, stejně jako důraz na snižování energetické náročnosti výrobních procesů jsou novým směrem, jímž se výrobci surového materiálu a zpracovatelé začínají ubírat. Mnoho studií poukazuje na rozličnou výrobní nebo energetickou náročnost jednotlivých technologií výroby kompozitních materiálů. Technologie jako otevřená laminace (kontaktní laminace) může být v počátku levnou variantou výroby kompozitů, avšak její uhlíková stopa, ovlivněná použitým množstvím pryskyřice, je téměř dvojnásobně vyšší v porovnání s vakuovou infuzí nebo výrobou za pomoci vyhřívaných lisů. Naopak pokročilejší výrobní technologie mají oproti jednodušším způsobům vyšší energetickou náročnost, která významným způsobem zvyšuje uhlíkovou stopu produkce. Životnost kompozitů, jejich cirkulární ekonomika a environmentální odpovědnost se staly nedílnou součástí vývoje těchto materiálů, stejně jako tomu je i v jiných odvětvích průmyslu.