Rozwiązania biopolimerowe szansa dla branży motoryzacji?

Transkrypt

1 KONFERENCJA: TRANSFER WIEDZY W BRANŻY MOTORYZACJI Nowe wyzwania nowe inwestycje nowe perspektywy współpracy Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Krakowska Stanisław KUCIEL Rozwiązania biopolimerowe szansa dla branży motoryzacji? Silesia-Expo Katowice Człowiek najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 NATURALNE ODNAWIALNE SUROWCE I BIODEGRADOWALNOŚĆ, CZYLI DLACZEGO O BIOTWORZYWACH JEST GŁOŚNO... EKONOMICZNE Najbardziej znaczącym odbiorcą biodegradowalnych tworzyw jest rynek europejski (niemal 50%), którego rozwój w 2009 r. wyniósł 5-10%. Przewiduje się, że konsumpcja tego rodzaju tworzyw na świecie będzie do 2013 roku rosnąć w tempie 13% rocznie. EKOLOGICZNE CZYNNIKI POLITYCZNE (szacunki SRI Consulting, Raport 2010)

3 Udział surowców odnawialnych w całkowitej produkcji energii i produktów w USA Th. Willke. K.-D. Vorlop Industrial bioconversion of renewable resources as an alternative to conventional chemistry

4 BIOTWORZYWA PODZIAŁ Yutaka Tokiwa, Buenaventurada P. Calabia, Charles U. Ugwu and Seiichi Aiba Biodegradability of Plastics

5 BIODEGRADOWALNOŚĆ BRAK CAŁKOWITA Podział polimerów, przykłady: PBS PBSL PBSA PCL PBST PBSAT PTMAT PCBS PE PP PET PVC PA6, 66 PBT PUR ABS Kauczuk syntetyczny Blendy skrobi lub PLA z biodegradowalnymi polimerami petrochemicznymi Mieszaniny skrobi z poliolefinami PA 610 PTT z biopochodnego 1,3-PDO PBT, ABS, SBR z biopochodnego kwasu bursztynowego PET, PVC z biopochodnego etylenu TPS Niektóre blendy skrobi PLA PHA Blendy PLA/PHA CA, CAP, CAB Biopochodne PE, PB, PA 11 PETROCHEMICZNE MIESZANE BIOPOCHODNE POCHODZENIE

6 MATERIAŁY TRADYCYJNE... Rosnąca ilość odpadów Trudności ze spalaniem i recyklingiem Restrykcje odnośnie emisji CO 2 Ceny ropy naftowej Drogie syntetyczne napełniacze Eko-polityka, możliwości dofinansowania Eko-moda, wzrost popytu Możliwość kompostowania lub spalania z odzyskiem energii Poprawa właściwości (przetwórczych i użytkowych) biopolimerów Spadek cen biopolimerów Wzrost zainteresowania napełniaczami naturalnymi... A BIOTWORZYWA I BIOKOMPOZYTY

7 REDUKCJA GOSPODARKA ODPADAMI Zapobieganie Ponownie użycie Odzysk Recykling Inne formy odzysku Kompostowanie Usuwanie Spalanie Składowanie na wysypisku

8 Biodegradacja Biodegradacja rozkład polimeru na dwutlenek węgla, wodę i biomasę, wywołany działaniem mikroorganizmów Polimer biodegradowalny w warunkach kontrolowanego kompostowania biodegradacji (pomiar wytworzonej ilości dwutlenku węgla) ulega 90% materiału, w czasie krótszym niż 6 miesięcy Biodegradowalny polimer Oligomery, mery Mineralizacja Środowisko wewnątrzkomórkowe H 2 O, CO 2 i/lub CH 2, biomasa

9 Główne grupy biopochodnych polimerów biodegradowalnych Polimery na bazie skrobi materiału zapasowego roślin Polimery na bazie celulozy głównego składnika ścian komórkowych roślin PLA polilaktyd, poli(kwas mlekowy), (kwas mlekowy z fermentacji skrobi) PHA poli(hydroksyalkaniany), materiał zapasowy bakterii (m.in. PHB)

10 Kompostowalność Polimer kompostowalny nie może tworzyć toksycznych produktów rozkładu (ocena na podstawie zawartości metali ciężkich), nie może wpływać negatywnie na proces kompostowania, musi ulegać dezintegracji, czyli rozpadowi do frakcji nierozróżnialnej w gotowym kompoście (brak widocznych zanieczyszczeń - pomiar wg EN 14045) Kompostowalne tworzywa certyfikowane według normy EN i bazujące na odnawialnych i/lub nieodnawialnych (kopalnych) zasobach (surowcach), PBS, PBSA, PCL, PVA, PEA, PBAT - petrochemiczne

11 Polimery z surowców odnawialnych (niedegradowalne) Brazylijski koncern chemiczny Braskem, wykorzystuje instalacje do produkcji etanolu z trzciny cukrowej w efekcie do wytworzenia 1 tony polietylenu czy polipropylenu (PEHD, PP) przechwytuje (usuwa ze środowiska) 2,5 tony dwutlenku węgla, podczas gdy tradycyjna metoda wytwarzania z produktów petrochemicznych powoduje emisję blisko 3,5 tony CO 2 Umowa z Toyotą przewiduje od 2011 roku sprzedaż ekologicznego polietylenu na poziomie 50 tys. ton rocznie. Rynek dla biotworzyw stale rośnie wg. danych European Bioplastics, całkowite globalne zdolności produkcyjne biotworzyw wynoszą aktualnie ton rocznie. W przyszłym roku mają wzrosnąć do ton, w do 1,44 mln ton, a w 2013 r. do 1,46 mln ton. Brazylijska grupa chemiczna Braskem poinformowała o nawiązaniu współpracy badawczej ze spółką Novozymes. Wspólnym celem obu firm ma być opracowanie przemysłowej technologii produkcji polipropylenu (PP), na bazie trzciny cukrowej. Wiadomo już, że do wyrobu propylenu z biomasy będzie wykorzystywana technologia fermentacji, opracowana przez Novozymes.

12 Poliamidy otrzymywane z oleju rycynowego lub z cukru Olej rycynowy pozyskiwany z rącznika pospolitego Kwas sabicynowy [HOOC(CH2)8COOH] Dekametylodiamina [H2N(CH2)10NH2] Monomery niektórych poliamidów Pierwszy bio-poliamid otrzymywany z oleju rycynowego został wprowadzony na rynek w latach 40. XX w przez firmę Arkema (Rilsan 11 PA11). Do nowych najpopularniejszych biopolimerów należą PA1010 i PA610. *Możliwe może byd również wytwarzanie poliamidów poprzez fermentację cukrów (na etapie badao).

13 Poliamidy otrzymywane z oleju rycynowego

14 Poliamid Monomery Surowce Firmy PA 11 Kwas 11-aminoundekanowy Olej rycynowy Arkema, Suzhou Hipro PA 1010 PA 1012 PA 610 PA 612 PA 510 PA 410 Dekametylenodiamina Olej rycynowy DuPont, EMS-Chemie, Evonik, Kwas sebacynowy Olej rycynowy Suzhou Hipro Dekametylenodiamina Kwas dodekanowy Olej rycynowy Olej rycynowy Suzhou Hipro Heksametylenodiamina Butadien, propen BASF, DuPont, EMS-Chemie, Rhodia, Kwas sebacynowy Olej rycynowy Evonik, Toray, Suzhou Hipro Heksametylenodiamina Kwasu dodekanowy 1,5-diaminopentan Kwas sebacynowy Tetrametylenodiamina Kwas sebacynowy Butadien, propen Olej rycynowy glukoza Olej rycynowy Akrylonitryl, HCN Olej rycynowy PA 6 Kaprolaktam Glukoza - PA 66 PA 69 PA 46 Heksametylenodiamina Kwas adypinowy Heksametylenodiamin Kwas azelainowy Tetrametylenodiamina Kwas adypinowy Butadien, propen Glukoza Butadien, propen Kwas oleinowy Akrylonitryl, HCN Glukoza Suzhou Hipro Basf DSM - - -

15 PA11 PA12 PA1010 PA Przybliżony procentowy udział surowców odnawialnych w zielonych poliamidach PA1010 PA610 PA1012 PA11 PA612 PA510 PA410

16 σ z [MPa] Właściwości mechaniczne kompozytów Hiprolonu z 20% udziałem napełniacza ε [%] E [MPa] HP HPT2 HPO2 HPL2 HPS2 HPW2 HPLT HP HPT2 HPO2 HPL2 HPS2 HPW2 HPLT HP HPT2 HPO2 HPL2 HPS2 HPW2 HPLT

17 Chłonnośd wody [%] Chłonnośd wody 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 1 dzieo 7 dni 30 dni 0 HP HPL1 HPLT HPS1 HPW1

18 HPL1 HPLT HPS HPW

19 BIOKOMPOZYTY - kompozyt polimerowy, w którym chociaż jeden z komponentów jest biopochodny lub biodegradowalny BIOKOMPOZYT Biopolimer + napełniacze naturalne Polimer petrochemiczny + włókna naturalne Biopolimer + napełniacze syntetyczne Zalety: Biodegradacja odciążenie składowisk odpadów Biopochodnośd alternatywne dla ropy naftowej surowce odnawialne, obniżenie emisji CO 2 Zalety napełniaczy naturalnych: modyfikacja właściwości (mechanicznych, przetwórczych, itp.) obniżenie kosztów, pokrewieostwo z osnową (skład chemiczny, hydrofilowośd, temperatury przetwórstwa)

20 Właściwości włókien naturalnych Materiał Gęstość [g/cm 3 ] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Moduł Younga [GPa] Wydłużenie względne [%] Nić pajęcza ok Len Konopie Kenaf Juta Bambus ok. 2 Sizal Włókna kokosowe Włókno szklane E ok. 2.5 Włókno węglowe 1.4 ok ok. 2 Kevlar ok. 2.8

21 Napełniacze Mączka drzewna Lignocel (J. Rettenmaier & Sohne GmbH+Co) Włókna kenafu (Kenaf Eco Fibers Italy) Włókna pokrzywy Włosie końskie

22 500x 100x 500x BIOPLAST + Lignocel 200x BIOPLAST + kenaf 200x Solanyl + kenaf 200x PHB + pokrzywa PHB + włosie końskie Solanyl BP20F

23 Przewiduje się, że w najbliższym czasie nastąpi dalszy intensywny rozwój materiałów łączących biopolimery i naturalne napełniacze, uznawanych za najbardziej ekologiczne wśród wymienionych grup biokompozytów Biodegradacja ~ 6 miesięcy Polimer ~10 3 lat CO 2 ~1 rok Biomasa >10 6 lat Paliwo kopalne Schemat obiegu węgla w środowisku dla biopochodnych polimerów biodegradowalnych (białe strzałki idea recyklingu organicznego) i niebiodegradowalnych polimerów petrochemicznych (szare strzałki) Kijchavengkul, T., Auras, R.: Perspective: Compostability of polymers, Polymer International 57, 6, 2008,

24 Przykłady zastosowań PLA + włókna drzewne: Kareline PLMS (Kareline, Finlandia), Fibrolon F 8530 (FKur, Niemcy) PLA + kenaf: pokrywa koła zapasowego (Toyota Raum i Prius, Japonia), telefon komórkowy FOMA N701i ECO (NEC, Japonia) Kompozyt na bazie ligniny z naturalnymi włóknami: ARBOFORM (TECNARO GmbH, Niemcy) PHB napełniany włóknami konopi stosowany jako zamiennik drewna sojowe białko + juta, kenaf (e2e Materials, USA)

25 Zastosowania Wstępnie określone obszary zastosowao kompozytów biopochodnych i biodegradowalnych obejmują głównie produkty o krótkim cyklu życia, np.: opakowania produkty dla rolnictwa, ogrodnictwa produkty dla przemysłu gastronomicznego akcesoria plażowo-wypoczynkowe, zabawki, itp. Produkowane są też biopolimery o wysokich właściwościach mechanicznych i wydłużonym okresie użytkowania, które mogą stanowid osnowę kompozytów stosowanych jako materiały konstrukcyjne.

26 Podsumowanie i wnioski Właściwości Dodatek włókien - widoczny wzrost sztywności materiału, spadek odkształceń plastycznych, niewielki wzrost wytrzymałości na rozciąganie Len, Kenaf - największy wzrost sztywności i wytrzymałości Biodegradowalność, materiały z odnawialnych surowców Obniżenie właściwości mechanicznych wskutek chłonności wody i mniejsza odporności na temperaturę Przetwórstwo Techniki wytwarzania biokompozytów oparte na istniejących metodach przetwórstwa tworzyw sztucznych i kompozytów Temperatura przetwórstwa biotworzyw niższa niż temperatura rozkładu włókien naturalnych Zmniejszenie wydajności przy wysokim stopniu napełnienia włóknami, szczególnie przy produkcji wyrobów wtryskowych Modyfikacja chemiczna poprawa adhezji, ograniczenie chłonności wody Zastosowanie Alternatywa dla kompozytów na osnowie polimerów syntetycznych napełnianych włóknem szklanym Dla produktów o krótkim cyklu życia, używanych w temperaturze pokojowej Materiały konkurencyjne cenowo dla czystych biopolimerów i innych kompozytów Dalsze badania: biopolimery z odnawialnych surowców niebiodegradowalne dla przemysłu samochodowego np. biopoliamid, biopolietylen

27 Wizje rozwoju technologicznego transport Foresight technologiczny w zakresie polimerów 1. Rozwój transportu zbiorowego 2. Rozwój towarowego transportu szynowego 3. Rozwój transportu indywidualnego 4. Rozwój kompozytów z udziałem polimerów termoplast-tycznych 5. Zastosowanie w transporcie alternatywnych źródeł energii 6. Wzrost zastosowań kompozytów i polimerów w środkach transportu 7. Rozwój zastosowań biokompozytów i biomateriałow 8. Wzrost produkcji wyrobów wielkogaba-rytowych 9. Rozwój kompozytów do dużych obciążeń mechanicznych

28 Technologie krytyczne (kluczowe): Foresight technologiczny w zakresie polimerów Spienianie termoplastów Rotomoulding Wtrysk karoserii Techniki modułowe Niskociśnieniowy wtrysk z prasowaniem Techniki wytwarzania nanokompozytów Nanoszenie powłok z folii termoplastycznych Techniki wytwarzania kompozytów wysokonapełnionych Produkcja preimpregnatów Wykorzystanie technologii i surowców odnawialnych Recykling

29 SPALANIE z odzyskiem energii!!! Ciepło spalania biopolimerów w porównaniu z tradycyjnymi tworzywami i paliwami

30 DZIĘKUJE ZA UWAGĘ