K O O L S T O F V E Z EL V ER S T ER K T E P OL Y M E RE N

E EN I NLE ID ING E N EE N D IS CU SS IE OV E R D E C O R R EC TE TO E PAS SIN G V AN C OM POS IE TE N

Koolstofvezel versterkte polymeren zijn materialen die sterk in opmars zijn. Deze nieuwe materialen hebben een enorm groot toepassingsgebied. Jammer genoeg zijnde technieken die gebruikt worden om deze materialen te recycleren vaak niet afdoende. Men is nog niet in staat om verscheidene elementen van het materiaal te recycleren. Het is dan ook nodig dat koolstofvezel versterkte composieten zorgvuldig gebruikt worden in de juiste toepassingen. Maar al te vaak worden deze materialen gebruikt voor hun moderne uitstraling. Om dit tegen te gaan zou de prijs van een materiaal niet enkel afhankelijk moeten zijn van de productiekost, maar ook van de kost en milieuimpact die gepaard gaat met de verwerking van het materiaal aan het einde van zijn levenscyslus.

1 . S T R U CT UU R V A N CO M P O S I E T M A T E RI A L EN

Koolstofvezel versterkte polymeren behoren tot de familie van de composietmaterialen. Dit zijn materialen die opgebouwd zijn uit twee of meer materialen. Hierbij worden de goede eigenschappen van de materialen gecombineerd tot één supermateriaal. Enkele voorbeelden van composietmaterialen zijn gewapend beton (beton en ijzer), kogelbestendig glas (glas en plastic) en uiteraard koolstofvezel versterkte polymeren (koolstof en een kunststof).

Koolstofvezel of glasvezel versterkte materialen bestaan uit een vezel en een matrix. De vezel zort ervoor dat het materiaal een zekere sterkte en stijfheid heeft. De vezel vangt het grotendeel van de krachten op die op het materiaal aangelegd worden. Bij koolstofvzel versterkte polymeren zijn het de koolstofvezels die deze taak op zich nemen. De matrix van een composietmateriaal is de component die de vezels bij elkaar houdt. Zonder deze matrix zouden de vezels niet meer zijn dan een textiel, een gewoven stuk stof. Voor koolstofvezel versterkte polymeren is dit het polymeer. In de meeste gevallen is dit polymeer een soort kunststof.

Composieten die bestaan uit een vezelmateriaal en matrix, kunnen onderverdeeld worden in twee grote categorieën. Deze categorie wordt bepaald door het matrixmateriaal van het composiet. [1]

1.1. THERMOPLASTISCHE COMPOSIETEN

Als een materiaal gebruikt maakt van een matrix die thermoplastich is, betekent dit dat dit materiaal telkens opnieuw vervormd kan worden, eens het boven en bepaalde temperatuur gebracht wordt. Bij de productie van producten uit dit materiaal vertrekt men doorgaans van een vlakke plaat. Deze plaat bestaat uit matrixmateriaal waar de vezels reeds tussen verwerkt zijn. Bij het vormgevingsproces wordt het composiet eerst opgewarmd, zodat het vervormbaar wordt. Daarna wordt het materiaal tussen twee matrijzen geplaatst die het materiaal dan in de gewenste vorm persen. Dit productieproces is heel vergelijkbaar met dat van producten uit metaalplaat. Dit is een redelijk snel proces dat kan gebruikt worden voor de productie van hoge aantallen. [2]

1.2. THERMOHARDENDE COMPOSIETEN

Als een materiaal gebruik maakt van een matrix die thermohardend is, is het materiaal onvervormbaar voor de rest van zijn levensduur. Bij een verhoging in temperatuur zal het product zijn vorm blijven behouden tot een temperatuur waarbij het matrixmateriaal opbrandt. Voor producten van deze soort bestaan er twee mogelijke productieprocessen. [2]

Bij het eerste productieproces vertrekt men vanuit droge vezel. Deze worden op een mal gelegd die de vorm van het uitendelijke product bepaalt. Twee vloeistoffen worden bij elkaar gevoegd om samen de matrix te vormen. Dit mengsel wordt tussen de vezels gebracht. Na enkele tientallen minuten is dit mengsel volledig uitgehard door een chemische reactie tussen de twee componenten. Eens de matrix hard is, is het product klaar.

1 My statement paper, Ilias Viaene & Michaël Maes

Bij een tweede mogelijk productieproces vertrekt men van reeds geïmpregneerde matten. Dit wil zeggen dat het matrixmateriaal al in deze matten aanwezig is. Deze matten bestaan dus uit de vezels met daartussen een stroperige variant van de matrix. Nadat deze matten op de mal zijn aangebracht, wordt het matrixmateriaal uitgehard in een oven.

2 . T O EP A S S I N G E N

Door de uitzonderlijke eigenschappen (vijf maal stijver per gewichtseenheid dan staal) vinden koolstofvezel versterkte kunststoffen hun toepassing in meer en meer sectoren. Zo wordt het materiaal vooral gebruikt in sectoren waarbij gewichtsverlies een rechtstreekse invloed heeft op winstmarges, bijvoorbeeld gebruikt in de luchtvaart en de automobielindustrie. Hiernaast worden steeds meer toepassen hierbuiten ontwikkeld zoals voor de sportindustrie, in de geneeskunde en voor allerhande gadgets.

2.1. LUCHTVAART EN AUTOMOBIELINDUSTRIE

In de luchtvaart en automobielindustrie is gewicht een zeer belangrijke factor. Hoe zwaarder een voertuig is, hoe moeilijker het is om deze te opereren en hoe hoger het brandstofverbruik. Door het gewicht van een voertuig te verlagen, kan een bedrijf enorm snijden in hun brandstofonkosten. Vliegtuigbouwers experimenter dan ook volop met de mogelijkheden om metalen componenten te vervangen door een variant uit koolstofvezel versterkte polymeren. Van de stoelen over de vleugels tot aan een complete romp, bijna alles kan uit koolstofvezel versterkte polymeren vervaardigd worden.

2.2. SPORTMATERIAAL

Ook in de sport kent het materiaal diverse toepassingen. Een eerste voorbeeld zijn polsstokken. Deze worden doorgaans ook gemaakt uit composietmaterialen. Bij een juiste productiemethode kan men met dit materiaal heel buigzame, maar toch sterke stokken maken. De lagen worden op zodanige manier gepositioneerd dat de polsstokken buigen in een bepaald punt. De energie die de springer in de stok steekt door hem te buigen, komt even later vrij zodat de springer omhoog geduwd wordt. Het gedrag van deze stokken kan enkel bekomen worden bij het gebruik van composieten.

My statement paper, Ilias Viaene & Michaël Maes 2

2.3. GENEESKUNDE

In de geneeskunde wordt ook steeds vaker gebruik gemaakt van koolstofvezel versterkte polymeren. Op de eerste plaats zijn er prothesen die vervaardigd worden uit dit materiaal. Doordat het licht en sterk is, is het ideaal om er bijvoorbeeld een vervangbeen uit te maken. Er zijn zelfs sporters met een handicap, die gebruik maken van deze prothesen, die sneller lopen dan sporters zonder deze handicap. De prothesen zouden mogelijk zelfs een voordeel geven aan de sporters die deze gebruiken. Door de veerkracht die in het materiaal zit, zouden zij in staat zijn om sneller te gaan dan hun protheseloze concurrenten.

Ook bij inwendige geneeskunde kunnen koolstofvezel versterkte materialen gebruikt worden. Gebroken beenderen kunnen aan elkaar gemaakt of zelfs vervangen worden door stukken uit koolstofvezel versterkte materialen. Koolstof is een stof die door het menselijk lichaam niet wordt afgestoten. Als er ook een matrix gebruikt wordt het menselijk lichaam accepteerd, kan een stuk van dit materiaal zonder complicaties in het lichaam gebruikt worden.

2.4. GADGETS

Koolstofvezel versterkte polymeren worden niet alleen gebruikt om hun goede eigenschappen, maar ook om hun uitstraling. Het materiaal wordt beschouwd als een modern, aantrekkelijk materiaal. Het gevolg is dat dit materiaal ook gebruikt wordt in allerhande luxeproducten. Zo bestaan er bijvoorbeeld allerhande gsm-hoesjes uit dit materiaal. Hierbij zijn de eigenschappen aan zich niet belangrijk, wel het aanzien dat koolstofvezel versterkte kunststoffen genieten.

3 . RE C Y C L A G E

Om duurzame producten te maken, moet men niet enkel rekening houden met het productieproces, maar met de hele levensloop van het product. Een belangrijk aspect is de herbruikbaarheid van de producten, wanneer hun gebruikstijd erop zit. In het beste geval kan het product gerecycleerd worden. In het slechtste geval wordt het product verbrand of op een stort weggewerkt.

Koolstofvezel versterkte polymeren bestaan uit meerdere componenten. De recyclage hiervan is daardoor niet eenvoudig. Omdat het nog relatief nieuwe materialen zijn, staat het onderzoek van degelijke recyclagetechnieken nog in zijn kinderschoenen. Momenteel worden er al enkele recyclegetechnieken toegepast. Bij elk van deze technieken verliest echter minstens één van de componenten zijn waarde (meestal de matrix).

3.1. VERMALEN

Een composietmateriaal kan vermalen worden. De vezels worden hierbij in kleine stukken gehakt. Het bekomen product is nog te gebruiken als kortevezelmateriaal. Composieten met korte vezel bestan uit een matrixmateriaal waarin korte vezels (van enkele milimeters tot enkele centimeteres) willekeurig in liggen. Doordat de krachten in dit materiaal niet opgevangen door een continue vezel, zijn hun eigenschappen een pak slechter dan deze van de langvezelproducten (zoals het oorspronkelijke materiaal). [3]

3 My statement paper, Ilias Viaene & Michaël Maes

3.2. CHEMISCH RECYCLEREN

Bij chemisch recycleren wordt een een chemisch reagens (chemisch product) toegevoegd aan het afvalmateriaal. Dit reagens ontbindt het matrixmateriaal. Hierbij komen de vezels terug vrij die herbruikt kunnen worden. [4]

3.3. VERBRANDING / PYROLYSE

Bij verbranding wordt het matrixmateriaal uit het comoposiet verbrand. Bij deze verbranding komt energie vrij, die gewonnen wordt. Bij pyrolyse gebeurt ongeveer hetzelfde. Hierbij wordt energie uit het matrixmateriaal gehaald door verhitting in een zuurstofvrije omgeving. Bij pyrolyse wordt er meer energie gewonnen. [5]

4 . V ER A N T W OO R DI NG G EB RU I K

Het is het belangrijk om voor de duurzaamheid van een product te kijken over de totale levensduur van het product. Zoals aangegeven zijn de recyclagetechnieken die voorlopig beschikbaar zijn voor koolstofvezel versterkte polymeren nog niet degelijk genoeg.. Eén van de componenten kent steeds een degradatie of is, in het slechtste geval, afval. Er dient dus zeer zorgvuldig met koolstofvezel versterkte polymeren omgegaan te worden.

4.1. DUURZAAMHEID

Sommige toepassingen van koolstofvezel versterkte polymeren maakt het gebrek aan recyclagemogelijkheden enigsinds goed. Zo kan er in de vliegtuigindustrie wereldwijd zo’n 370 ton CO2 per dag worden uitgespaard door het gebruik van koolstofvezel versterkte polymeren in plaats van alluminium. [6] [7]Over zijn hele levensloop genomen, heeft een vliegtuig dat deels gemaakt is uit koolstofvezel versterkte polymeren een positieve impact op het milieu. Er kan geconcludeerd worden dat koolstofvezel versterkte materialen hier een positieve bijdrage leveren tot de duurzaamheid van het toestel.

4.2. ETHISCHE WAARDEN

De geneeskunde is er een heel typisch toepassingsgebied. Zo kan men hier bijoorbeeld prothesen maken die dichter aansluiten bij het originele ledemaat. Als het inwendig gebruikt wordt, geeft koolstof minder complicaties. Het materiaal wordt als lichaamseigen beschouwd en verbindingsplaatjes en dergelijke kunnen kleiner uitgevoerd worden.

Als nieuwe materialen in de geneeskunde nieuwe of betere mogelijkheden creëren is dit te verantwoorden. He is ethisch niet te verantwoorden dat men met andere materialen zou werken. Het herstel van een patiënt moet altijd prioriteit krijgen op technische aspecten. Als de mogelijkheid bestaat om mensen met een handicap terug te laten sporten of om hen te helpen met alledaagse taken, mag de duurzaamheid van het product dit niet in de wegstaan. Mensen een menswaardig bestaan geven en hen laten genieten van het leven zijn zaken die voorop gesteld moeten worden aan technische beperkingen.

My statement paper, Ilias Viaene & Michaël Maes 4

4.3. VERKOOP

Koolstofvezel versterkte polymeren worden jammer genoeg te vaak gebruikt in toepassingen waar ze geen meerwarde bieden. Zo bestaan er tal van gadgets die onterecht gebruik maken van dit materiaal. Hoesjes van gsm’s, laptopbehuizingen, horloges, stoelen, toiletten... Dit zijn maar enkele voorbeelden van toepassingen waar koolstofvezel versterkte polymeren onterecht worden gebruikt. De specifieke eigenschappen van dit materiaal worden in deze zaken niet gebruikt. Men gebruikt het materiaal hier enkel omdat het er mooi en modern uitziet. Op die manier probeert men de verkoop van deze producten te verhogen. Het is niet te verantwoorden dat een materiaalkeuze eerder gemaakt wordt op het uitzicht van een materiaal dan op de duurzaamheid ervan. Er wordt in deze tijd veel tijd en geld gestoken in duurzaamheid. Onze planeet geraakt stilaan uitgeput met de bronnen die wij als mens nodig hebben. Deze bronnen dienen dan ook zorgvuldig gebruikt te worden.

5 . B E S L U I T

In deze tijd worden koolstofvezel versterkte polymeren niet altijd gebruikt voor hun specifieke eigenschappen. In de vliegtuigindustrie en de geneeskunde maakt men op een correcte manier gebruik van het besproken materiaal. Dit is omwille van de duurzaamheid of om ethische redenen te verantwoorden. Gadgets en dergelijke maken dan weer onterecht gebruik van koolstofvezel versterkte polymeren. Door verkopers wordt alleen gekeken naar een stijgende verkoop en niet naar de duurzaamheid van het product. Aangezien de recyclagetechnieken van composieten nog niet op peil staan, hebben deze producten, over het algemeen, een negatieve impact op het milieu.

Een oplossing zou erin kunnen bestaan om de milieu-invloeden van het materiaal op lange termijn in te rekenen bij de aankoopprijs van het product. Een extra belasting heffen op goederen in verband met de mogelijkheden tot recyclage zou een oplossing kunnen zijn. Zo wordt de prijs van een product rechtstreeks gelinkt met de duurzaamheid ervan.

5 My statement paper, Ilias Viaene & Michaël Maes

REFERENTIELIJST

[1] „Historical Overview of the Carbon Fiber Composites Industry,” [Online]. Available: http://web.ornl.gov/sci/physical_sciences_directorate/mst/PMC/carbon_fiber09/pdfs/CF_Industry_Overview_20090225.pdf. [Geopend 9 December 2013].

[2] T. Johnson, „Thermoplastic vs Thermoset Resins,” About.com Media Kit, [Online]. Available: http://composite.about.com/od/aboutcompositesplastics/a/Thermoplastic-Vs-Thermoset-Resins.htm. [Geopend 31 maart 2014].

[3] D. C. a. G. R. P. A. Paesano, "Carbon-Fiber Reinforced Thermoplastic Materials for Rigidizable Space Systems," Journal of Thermoplastic Composite Materials, pp. 139-170, 2003.

[4] I. Okajima, K. Watanabe and T. Sako, "Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Plastic with Supercritical Alcohol," Journal of advanced research in physics, vol. 3, no. 2, 2012.

[5] U. Gaur and B. Wunderlich, Heat Capacity and Other Thermodynamic Properties of Linear Macromolecules, New York: Department of chemistry, Rensselaer polythechnic institute.

[6] „World Kerosene Consumption by Year,” Index Mundi, [Online]. Available: http://www.indexmundi.com/energy.aspx?product=kerosene&graph=consumption. [Geopend 08 mei 2014].

[7] L. aircraft, "Eenmotorig vliegtuig “Mission 212” met structuur uit composietmaterialen," MVO Vlaanderen, [Online]. Available: http://mvovlaanderen.be/kenniscentrum/praktijkvoorbeeld/lambert-aircraft-producent-van-sportvliegtuigen-innoveert-met-een-eenmotorig-vliegtuig-met-structuur-volledig-uit-composietmaterialen-mission-212/s/overige-industrie/. [Accessed 8 mei 2014].

My statement paper, Ilias Viaene & Michaël Maes 6