Jak efektivně recyklovat uhlíková vlákna z vyřazených kompozitů

Počínaje veškerými organickými sloučeninami (a tím pádem i všemi živými organismy), přes celou řadu anorganických látek, až po různé modifikace samotného přírodního uhlíku. Řečí čísel bychom se dostali přibližně k deseti milionům látek, které uhlík obsahují. Příčinou této obrovské variability je schopnost uhlíku ochotně na sebe vázat další lehké atomy, včetně sebe sama. A stejně jako příroda začali těchto unikátních vazebných schopností využívat i vědci k výrobě nejrůznějších umělých materiálů.

Mezi nejrozšířenější dnes nepochybně patří uhlíková vlákna. Jde o velmi tenká vlákna o průměru zhruba 5 až 10 mikrometrů (pro srovnání, vlas má průměr zhruba 100 mikrometrů) tvořená výhradně atomy uhlíku. Již v 60. letech minulého století je objevil americký vědec Roger Bacon, a přestože tehdy vlákna nedosahovala takové čistoty, jako ta současná, stále vykazovala parametry, které přivítali konstruktéři z mnoha oborů. Patří mezi ně zejména vysoká tuhost a pevnost v tahu, odolnost vůči teplotním změnám a chemikáliím a nízká hmotnost. Díky této kombinaci vlastností měl nový materiál velký potenciál zejména pro letecký průmysl, kde se součástky z uhlíkových vláken začaly používat již na přelomu 60. a 70. let minulého století. Od té doby se staly kompozity na bázi uhlíkových vláken nedílnou součástí nejen letadel, ale také větrných elektráren, automobilů či sportovních potřeb.

Uhlíková vlákna se zpracovávají mnoha způsoby, od mletí a sekání až po tvorbu speciálních tkanin a textilií. Drtivá většina vláken pak končí v kompozitech, které jsou tvořeny až z 80 % uhlíkem, zbytek představují různé druhy polymerů.

Nic však není dokonalé a výborné vlastnosti uhlíkových vláken jsou draze vykoupeny jejich výrobní cenou. Přestože je uhlíku všude kolem nás dostatek, uspořádat jednotlivé atomy do struktury tvořící vlákna představuje velmi komplikovaný výrobní proces vyžadující teploty přes 2000 °C, což je extrémně energeticky náročné. Navzdory širokým možnostem využití proto zůstávají uhlíková vlákna doménou výrobků, u nichž nehraje cena zásadní roli. Výhledově bychom se však s nimi mohli setkávat častěji. Vědci společnosti Siemens totiž vyvinuli způsob, jak efektivně recyklovat uhlíková vlákna z vyřazených kompozitů, tvořených kromě samotných vláken ještě polymerovou matricí.

Klíčem je šetrný přístup
V současné době se uhlíková vlákna z těchto kompozitů recyklují poměrně drastickým způsobem, zvaným pyrolýza neboli tepelný rozklad. Při něm jsou, zjednodušeně řečeno, kompozity zahřáty na vysokou teplotu, při níž se spálí polymerová část kompozitu, a dojde tak k oddělení uhlíkových vláken. Tato metoda však má negativní vliv na vlastnosti vláken, protože po spálení polymerů mohou být vlákna různě spletená či pokroucená, což omezuje jejich další využití. Vědci proto šli na věc z druhé strany a využili chemických vlastností polymerů.
Během speciálního procesu, při němž jsou kompozity pod tlakem zahřáty na 200 °C, se polymery přeměňují na alkoholy tvořené menšími molekulami, jež se pomocí vody odloučí od uhlíkových vláken. Výhodou metody je nejen nižší energetická náročnost a nulová spotřeba toxických rozpouštědel, ale zejména její šetrnost vůči samotným uhlíkovým vláknům. Ta jsou na konci procesu prakticky netknutá a zachovávají si původní velikost a tvar, včetně nepoškozeného povrchu. Mechanické vlastnosti vláken jsou tedy recyklací ovlivněny naprosto minimálně.

Aby však mohla být metoda používána ve větší míře, musí vědci ještě vyřešit, jak využít recyklovaná vlákna k výrobě produktů a součástek, jež mají jiné rozměry a tvar, než původní komponenty.

Svými vlastnostmi jsou kompozity z uhlíkových vláken ideálním materiálem pro letecký průmysl. Například centrální spojnice křídel Airbusu A380 je vyrobena výhradně z uhlíkových kompozitů.