Bizonyára vannak olyan tudatosan vásárló emberek, akik tisztában vannak háztartásukban és közvetlen környezetükben megtalálható használati eszközeik alapanyagaival, összetételeivel. Sajnos én nem tartozom az említett emberek csoportjába, így gyakran egy kisgyermek szintjén, tágra nyílt, csillogó szemekkel csodálkozom rá a körülöttem zajló világra. Így érintett a biokompozit esete is, melyről először egy másik cikkemmel kapcsolatos interjú során hallottam.
Amikor kicsit utánakerestem ennek az anyagnak, rájöttem, elég szegényes tudással rendelkezem, pedig nagyon nem újkeletű dologról van szó, és nagy valószínűséggel az én konyhámban, illetve gépjárművemben is vannak biokompozitból készült alkatrészek. De mielőtt fantáziánk tovaszállna a biokompozit felhasználási lehetőségeinek tárházába, érdemes szót ejtenünk arról, mi is a kompozit, illetve a biokompozit.
Maga a kompozit (polimer kompozit) egy olyan többfázisú, összetett szerkezeti anyag, mely jellemzően szálerősítésből és befoglaló mátrixanyagból (műanyag, fém, kerámia, vagy ezek kombinációi) áll. Fő jellemzője, hogy a nagy szilárdságú erősítőanyag és a szívós, de kisebb szilárdságú mátrix anyag között kiváló tapadás áll fenn, mely a magasszintű igénybevételt is bírja.
Képen: biokompozit táskák és pénztárcák
A polimerkompozit bizonyos típusa a biokompozit, melynek a nagy szilárdságú erősítő anyaga megújuló vagy természetes erőforrásokból előállítható, biológiai úton lebomló vagy emberi szervezetbe beültethető.
A biológiailag lebomló polimerek talajban komposztálva vagy biotikus környezetbe helyezve a gombák, baktériumok lebontó képességének hatására teljesen lebomlanak néhány hónap vagy pár év alatt, így nem szennyezik a környezetet.
Mint azt már fentebb említettem, a textil alapú kompozitok megjelenése sem újkeletű, hiszen már az i.e. 1500-as években az egyiptomiak is használták (szalmával megerősített agyag). Később, a 12. században a mongolok íjai is kompozitból készültek (szarvasmarha-ideget, csontot, bambuszt és selymet áztattak be fenyőfagyantába), ill. ma is lehet biokompozitból készült íjakat vásárolni.
A mai modern kompozitok története a hőre keményedő műgyanták megjelenésével kezdődött. Leo Hendrik Baekland 1907-ben szabadalmaztatta a fenol-műgyantát (bakelit), melyből azbesztszálakkal megerősítve repülőgéptörzset készítettek, újabban pedig mechanikai szilárdságát pamutszövet erősítéssel javítják. Később, 1935-ben megjelent a nagyüzemileg előállított üvegszál, majd 1938-ban megjelent az epoxigyanta. 1940-ben lenszálakkal, 1942-ben üvegszálakkal kevert poliésztergyantából kézsítettek repülőgép-, hatjótest- és autókarosszéria-elemeket.
Képen: kompozit szélkerék
A második világháború még nagyobb lökést adott a kompozit fejlesztésének, mivel átengedi a rádióhullámokat, ezért sikeresen alkalmazták radartornyokban és más elektronikus berendezésekben, a polgári életben pedig hajótestek építésében kapott főszerepet. Az 1950-es években további kompozitgyártási technológiák alakultak ki, többek között a fröccsöntés, laminálás, szórás, sajtolás, tekercselés és a pultruzió. A szénszálgyártás 1959-es megjelenését követően olyan további felhasználási területekkel bővül a paletta, mint az űrkutatás, autógyártás, sportszerek és szélturbinák gyártása. Mivel a műgyanták is nagyarányú fejlődésen mentek keresztül ez idő alatt, különösen a nagy hőállóságú és korrózióálló felhasználási területeket illetően, a kompozitok minden fajtája egyre elterjedtebb, így nagyon sok helyen veszi át a fémszerkezetek helyét.
A kompozitok erősítőanyagaként alkalmazott textilanyagok lehetnek szálak, fonalak vagy kelmék, ez utóbbiakon belül szövetek, kötött, fonatolt, varrvahurkolt vagy nemszőtt kelmék, esetleg hímzéssel kialakított textillap. Annak érdekében, hogy a mátrixanyag és a szálak között minél jobb kémiai kötés jöjjön létre, a textilanyagot speciális kenéssel látják el.
Képen: kompozit textilszál
A kompoziterősítésre használt szálak anyaga általában üveg, szén, aramid, bór, vagy valamilyen kerámia. A párhuzamos fonalakkal erősített kompozitok a fonalak irányítottságának megfelelően fejtik ki erősítő hatásukat. Ha többirányú erősítést kívánnak megoldani fonalakkal, akkor ezt egymásra fektetett, különböző irányú fonalrétegekkel érik el. Ennek a módszernek gyakori alkalmazása például, amikor cső alakú kompozit előállításához a fonalakat csavarvonalban tekercselik fel egy magra és ezen alakítják ki a műanyag mátrixba ágyazást. A kompozitgyártásra készült üvegszálakat, szénszálakat nagyszámú, 1.000-300.000 filamentből álló sodratlan filamentszálkötegek, úgynevezett kábelek formájában gyártják.
Képen: szénszálszövet
Nagyon gyakori ezeknek a kábeleknek terített formában való alkalmazása, ami azt jelenti, hogy a szálgyártásnál képződő szálköteget 25–30 mm széles, vékony szalag formájában szétterítik. Ezekből a vékony szalagokból a kelmeszerkezettől függően könnyű, kis területi sűrűségű (50–150 g/m²) kompoziterősítő kelmék készíthetők, amelyek egyenletes szálelrendezésűek, jól impregnálhatók, nagy fajlagos szilárdságúak, belőlük kiváló minőségű (buborék- és üregmentes), nagy száltartalmú (50–70%) kompozitok gyárthatók. Textilszerkezetek révén egy-, két- vagy többirányú (uni-, bi- illetve multiaxiális/-direkcionális) igénybevételnek ellenálló kompozitok állíthatók elő.
A kompozitgyártásban nagy jelentőségűek a szövetek, ezen belül például a terített kábelekből készült szövetek. Ez utóbbiak szerkezetét hosszú, egyenes lebegési szakaszok és a váltási helyeken kis irányváltású (enyhe görbületű) párhuzamos szálak alkotják, a szálak gyakorlatilag egyenes helyzetűek. Sima felületet adnak, kiválóan alakíthatók és impregnálhatók, nem idéznek elő légzárványokat a mátrix anyagában. Speciális szövőgépeken és szövéstechnológiai eljárásokkal akár különleges (például T) alakú, vagy kagylós felületű kompoziterősítő szerkezetek is előállíthatók.
Az egyik legjelentősebb eljárás e téren a varrvahurkolással előállított kelmeszerkezetek alkalmazása. Egy további, gyakran alkalmazott eljárás, hogy a kompoziterősítő kelmeszerkezetet nem csak fonalakból állítják elő, hanem a fonalseregek alá még egy nemszőttkelme-réteget vagy egy terített kábelekből álló réteget is helyeznek, és azzal együtt végzik el a rétegek összekapcsolását varrvahurkolási technikával. Ezekben az eljárásokban a teherviselő fonalak az esetek többségében szén- vagy üvegszálakból állnak, de használnak erre a célra para-aramid, vagy más nagyszilárdságú szintetikus fonalat is. A varrvahurkoláshoz használt fonal, amelynek szerepe lényegében „csak” a szerkezet összetartása, lehet közönséges poliészterfonal. A szerkezetben alkalmazott nemszőtt kelme anyagát a felhasználási céltól függően választják meg.
Képen: kompozit lámpabúrák
A kompoziterősítésre használt kötött kelmék általában körkötőgépen készülnek és cső alakú kompozitok erősítőanyagaként szolgálnak.
A fonatolás eljárását szintén cső alakú kompoziterősítő szerkezetek előállítására alkalmazzák, de ezzel az eljárással – e célra szerkesztett fonatológéppel – nem csak kör-, hanem bonyolultabb, pl. négyszögletes vagy más keresztmetszetű tömlők is előállíthatók.
Legújabban hímzőgépen is előállítanak kompoziterősítő anyagot. A hímzőgép alkalmas a legkülönbözőbb, legbonyolultabb alakzatoknak megfelelően vezetni a tűbe fűzött fonalat, így ezzel a módszerrel bonyolult alakú, de viszonylag kis méretű tárgyak számára készíthető erősítés. Kompoziterősítés céljára készített ilyen kelméhez általában szén-, üveg- vagy para-aramid szál fonalakat (illetve kábeleket) használnak.
Képen: konyhai daráló
A gépgyártás (űrhajó-/hajó-/repülőgép-/autógyártás) és építőipar (tartó- és kötőelemek) mellett otthonunkban is előfordulhatnak biokompozit anyagok, a szegélyelemektől kezdve (pl. padok, virágládák, medencék), a szaunadézsákon át, a konyhai eszközökön keresztül (kanalak, darálók, tányérok), a berendezési tárgyakig (bútorok, lámpabúrák). Bízom benne, hogy hamarosan egyre több helyen találkozhatunk ezzel az anyaggal hétköznapi használati tárgyaink alapanyagaként. Mennyivel egyszerűbb lenne, ha a helyi hulladékgyűjtő udvarok nyitvatartása és lomtalanítási időpontok keresgélése helyett a megunt, széttört kertibútorokat, ruhafogast vagy sérült tárolóeszközöket nem rakosgatnánk átmeneti jelleggel akár hetekig vagy hónapokig, hanem egyszerűen csak kitennénk komposztba, ahol ugyanennyi idő alatt lebomlik?
Kovács-Sós Kitti
