Πρακτικά 1^ου Πανελλήνιου Περιβαλλοντικού Συνεδρίου, Ορεστιάδα (Μάιος 2004), σελ. 721-725.

Νεεσ τεχνολογιεσ στον τομεα των συνθετικων υλικων

Αντώνιος Παπαδόπουλος¹, C.A.S. Hill² και Σωτήριος Καραστεργίου¹

1 Τμήμα Σχεδιασμού & Τεχνολογίας Ξύλου – Επίπλου, Τ.Ε.Ι. Λάρισας, - Παράρτημα Καρδίτσας, Τέρμα Μαυρομιχάλη, Τ.Κ. 43100, Καρδίτσα, Τηλ: 24410 28499, Φαξ: 2441028299,

E-mail: antonios1974@hotmail.com,

2 C.A.S. Hill, School of Agricultural and Forest Sciences, University of Wales, Bangor,

Gwynedd, LL57 2UW,UK

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Τα τελευταία χρόνια ένα μεγάλο κομμάτι της παγκόσμιας βιομηχανίας έχει αναλωθεί σε ερευνητικές προσπάθειες προκειμένου να αντικαταστήσει τη χρήση συνθετικών πρώτων υλών όπως το γυαλί, με φυσικά οικολογικά υλικά. Ο μοναδικός συνδυασμός αξιόλογων φυσικών-μηχανικών ιδιότητων και ο φιλικός περιβαλλοντικός τους χαρακτήρας σε συνδυασμό με το χαμηλό τους κόστος, οδήγησε πολλούς τομείς της βιομηχανίας στη χρησιμοποίηση φυσικών πρώτων υλών, όπως ίνες ξύλου, λιναριού, κάνναβης, σαν πρόσθετα για την κατασκευή συνθετικών θερμοπλαστικών υλικών. Εκτιμάται ότι η Ευρωπαική αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί σήμερα 25,000 τόνους φυσικών ινών, στην πλειοψηφία τους ίνες λιναριού και κάνναβης, ενώ ο αριθμός αυτός αναμένεται να διπλασιαστεί μέχρι το 2005. Παρά τα μεινεκτήματα που παρουσιάζουν, αποτελούν ισχυρά υποψήφια υλικά για να αντικαταστήσουν τις ίνες γυαλιού σε πολλές εφαρμογές. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μία σύντομη ανασκόπιση αυτών των υλικών και των κυριοτέρων εφαρμογών τους.

Λέξεις κλειδιά: Συνθετικά υλικά, ξύλο, φυσικές ίνες, ανακύκλωση, θερμοπλαστικά.

1. ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΞΥΛΟΥ-ΠΛΑΣΤΙΚΟΥ

Τα τελευταία χρόνια ένα μεγάλο κομμάτι της παγκόσμιας βιομηχανίας έχει αναλωθεί σε ερευνητικές προσπάθειες προκειμένου να αντικαταστήσει τη χρήση συνθετικών πρώτων υλών όπως το γυαλί με φυσικά οικολογικά υλικά (Papadopoulos, 2002). Η αυστηρή, σε πολλές ευρωπαικές χώρες, περιβαλλοντική νομοθεσία, οδήγησε πολλούς τομείς της βιομηχανίας, όπως οι αυτοκινητοβιομηχανίες και ο κατασκευαστικός κλάδος, να θέτουν σε αυστηρή πλέον τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο των προϊόντων τους σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής τους. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος των οικολογικών υλικών, έχει στρέψει το ενδιαφέρον της παγκόσμιας βιομηχανίας στη χρησιμοποίηση τέτοιων υλικών, όπως ίνες από ξύλο, λινάρι, κάνναβι, σαν πρόσθετα για την κατασκευή συνθετικών υλικών (Mohanty and Misra, 1995). Η χρησιμοποίηση των παραπάνω υλικών διπλασιάστηκε μέσα στο 2000 και αναμένεται να παρουσιάσει μία αύξηση της τάξεως του 60% την πενταετία που διανύουμε (2000-2005). Το μεγαλύτερο μέρος της εντυπωσιακής αυτής ανάπτυξης προέρχεται από την χρησιμοποίηση ινών ξύλου σαν πρόσθετα για την κατασκευή διαφόρων συνθετικών υλικών όπως ξύλινα δάπεδα, φράχτες και πλαίσια πορτών και παραθύρων (Σχήμα 1.1) και λιγότερο από τη χρήση άλλων λιγνοκυτταρινικών υλικών όπως λινάρι και κάνναβης (Stark, 1999). Το μεγαλύτερο μέρος τέτοιων προιόντων παράγεται από εταιρείες της Βόρειας Αμερικής (US Plastic Lumber, Trex) και της Ιαπωνίας (ΕΙΝ Εngineering) ενώ τα τελευταία χρόνια ανάλογο ενδιαφέρον έδειξε και η Ευρωπαική βιομηχανία. Η ολλανδική κατασκευαστική εταιρεία Tech Wood International παρουσίασε το προιόν Tech Wood^®, το οποίο αποτελέιται από 70% ίνες πεύκου και 30% πολυπροπυλένιο (PP) (Papadopoulos, 2002). Το προιόν θα χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή 50.000 αδιαπέραστων από τις καταιγίδες σπιτιών στην Καραιβική μέσα στην επόμενη πενταετία. Ανάλογο είναι και το επίτευγμα του αυστριακού ερευνητικού οργανισμού γεωπονικής βιοτεχνολογίας (Research Ιnstitute for Agricultural Biotechnology, IFA) ο οποίος παρουσίασε το προιόν Fasal^®, το οποίο αποτελέιται από 60% ίνες ξύλου, 20% αραβόσιτο, 18 φυσική κόλλα και 2% άλλα πρόσθετα (Σχήμα 1.2.). Το κυριότερο πλεονέκτημα του Fasal^® είναι ότι μπορεί να διαμορφωθεί πολύ εύκολα σε διάφορα σχήματα. Το Fasal^® αναμένεται, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του οργανισμού, να αντικαταστήσει το ξύλο σε μικρο-προιόντα εσωτερικής χρήσεως όπως μικρά καλάθια, πάζλ, διακοσμητικά υλικά, χειρολαβές κ.α. (Σχήμα 1.3.) (Peijs, 2002).

Σχήμα 1.1: Πλαίσια παραθύρων από ανακυκλωμένο ξύλο και πλαστικό (wood fibre plastic).

Σχήμα 1.2: Θερμοπλαστικό κοκκοποιημένο υλικό.

Σχήμα 1.3: Εφαρμογές του Fasal^® (χειρολαβές, πάζλ).

2. ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΚΑΙ ΠΛΑΣΤΙΚΟ

Οι φυσικές ίνες από διάφορα λιγνοκυτταρινικά, πλην ξύλου, υλικά παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συνθετικών ινών όπως το γυαλί (Saheb and Jog, 1999):

v είναι ανανεώσιμες

v είναι άφθονες και φτηνές

v έχουν χαμηλό βάρος

v έχουν καλές μηχανικές αντοχές

v έχουν καλές ακουστικές και θερμομονωτικές ιδιότητες

v δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον

Ο μοναδικός συνδυασμός αξιόλογων φυσικών-μηχανικών ιδιότητων και ο φιλικός περιβαλλοντικός τους χαρακτήρας σε συνδυασμό με το χαμηλό τους κόστος, οδήγησε πολλούς τομείς της βιομηχανίας στην χρηματοδότηση ερευνητικών προγραμμάτων με σκοπό την ενσωμάτωση των υλικών αυτών στην παραγωγή τους.

Η Ευρωπαική αυτοκινητοβιομηχανία προσπαθεί να κάνει τα προιόντα της, στο μεγαλύτερο τους βαθμό ανακυκλώσιμα. Για το λόγο αυτό, προσπαθεί να συμπεριλάβει στην παραγωγή της φυσικές ινες σαν ενισχυντικά για την κατασκευή διαφόρων θερμοπλαστικών, μειώνοντας ταυτόχρονα εκτός από το βάρος και το κόστος. Εκτιμάται ότι η Ευρωπαική αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί σήμερα 25,000 τόνους φυσικών ινών, στην πλειοψηφία τους ίνες λιναριού και κάνναβης, ενώ ο αριθμός αυτός αναμένεται να διπλασιαστεί μέχρι το 2005 (Papadopoulos, 2002).

Η γερμανική αυτοκινητοβιομηχανία Daimler-Chrysler έχει αξιολογήσει τις ίνες λιναριού και κάνναβης ως πιθανά υποψήφια υλικά για να αντικαταστήσουν τις ίνες γυαλιού σε διάφορες εφαρμογές και έχει παρουσιάσει φυσικά θερμοπλαστικά υλικά (NMT-natural mat thermoplastic) τα οποία είναι αντίστοιχα των θερμοπλαστικών υλικών που είναι ενισχυμένα με ίνες γυαλιού (GMT-glass mat reinforced thermoplastic). H Daimler Chrysler μετέφερε την τεχνογνωσία στην Νότια Αφρική όπου ήδη φυσικές ίνες χρησιμοποιούνται στην παραγωγή οχημάτων. Το νέο λεωφορείο ταξιδιού Travego είναι εξοπλισμένο με θερμοπλαστικό υλικό από ίνες λιναριού στους κλωβούς των μηχανών, προσφέροντας αξιόλογη ηχομόνωση. Αυτή η καινοτομία είναι πολύ σημαντική γιατί το υλικό είναι σε θέση να αντισταθεί στις ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν στη Γερμανία. Στο μοντέλο C-class της Mercedes Benz, το οπίσθιο ράφι δεμάτων της έχει γίνει από μίγμα σίζαλ (τροπικό φυτό) και βαμβακιού. Το βαμβάκι που χρησιμοποιείται είναι από τα ανακυκλωμένα υφάσματα βαμβακιού, ενώ το σίζαλ παραδίδεται από τους τοπικούς αγρότες (Peijs, 2002). Στο μοντέλο Α-class της Mercedes Benz, χρησιμοποιείται φυσικό θερμοπλαστικό υλικό από ίνες λιναριού και πολυπροπυλένιο (Σχήμα 2.1), ενώ και στο μοντέλο Α2 της Audi χρησιμοποιείται στο εσωτερικό των πορτών φυσικό θερμοπλαστικό υλικό από ίνες λιναριού- σίζαλ και πολυπροπυλένιο (Peijs, 2002). Ανάλογα υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί και από την Ford στο νέο μοντέλο Focus.

Σχήμα 2.1: Εφαρμογές ινών λιναριού για την κατασκευή θερμοπλαστικών υλικών στην αυτοκινητοβιομηχανία.

Ανάλογες κινήσεις παρατηρούνται και στην Αμερικάνικη βιομηχανία. Κυριότεροι εκφραστές αποτελούν η εταιρεία Kafus Environmental Industries και η Visteon, παρακλάδι της Ford. Και οι δύο χρησιμοποιούν φυσικό θερμοπλαστικό υλικό από ίνες λιναριού (25%), kenaf (25%) (τροπικό φυτό) και πολυπροπυλένιο (50%). Στο νέο Ford Mondeo έχει χρησιμοποιηθεί το παραπάνω υλικό για την κατασκευή του εσωτερικού των πορτών.

Παρά τα σημαντικά τους πλεονεκτήματα, οι φυσικές ίνες έχουν και ορισμένα μειονεκτήματα, κυριότερα των οποίων είναι η χαμηλή τιμή σε εφελκυσμό, θλίψη και κρούση (Lee and Jang, 2000). Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες ερευνητικές προσπάθειες επικεντρώνονται στην επίτευξη ισχυρής συγκόλλησης των ινών με το ανάλογο πολυμερές με σκοπό την βελτίωση των ιδιοτήτων του τελικού θερμοπλαστικού υλικού και ακολουθούνται συχνά σχέδια παρόμοια με αυτά που έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την ίνα γυαλιού (Papadopoulos, 2002). Ωστόσο, κυριότερο εμπόδιο είναι η ανισοτροπία δομής που παρουσιάζουν οι φυσικές ίνες, σε αντίθεση με τις ισότροπες απο κάθε άποψη ίνες γυαλιού. Άλλα σημαντικά μειονεκτήματα των φυσικών ινών είναι η σχετικά μικρή διαστασιακή σταθερότητα και βιολογική ανθεκτικότητα (Lee and Jang, 2000). Αυτά μπορούν έυκολα να αντιμετωπισθούν με επιμέρους χειρισμούς των ινών, όπως είναι για παράδειγμα η χημική και η θερμική τροποποίηση. Στο Σχήμα 2.2, παρουσιάζεται το προφίλ της χημικής αντίδρασης ινών λιναριού και κάνναβης με οξικό ανυδρίτη, απουσία καταλύτη, σε θερμοκρασία 100^οC. Αύξηση βάρους της τάξεως 4-5% επιτυγχάνεται μετά από δύο ώρες αντίδρασης, για τις ίνες λιναριού και κάνναβης. Aξίζει να αναφερθεί επίσης, ότι χημική τροποποίηση ινών καρύδας με οξικό ανυδρίτη είχε σαν αποτέλεσμα την βελτίωση του αξονικού εφελκυσμού κατά 8% και της διαστασιακής σταθερότητας κατά 40% (Hill et al. 1998).

Σχήμα 2.2: Προφίλ της χημικής αντίδρασης ινών λιναριού και κάνναβης με οξικό ανυδρίτη (Papadopoulos and Hill).

3. ΑΛΛΑ ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Η βιομηχανία παραγωγής συγκολλημένων προιόντων χρησιμοποιεί φτηνά φυσικά υπολείμματα διαφόρων ινών καθώς επίσης και νέες συκολλητικές ουσίες που δεν περιέχουν φορμαλδεύδη ή συνδυασμό φυσικών κολλών με τις ήδη χρησιμοποιούμνες κόλλες φορμαλδεύδης. Το Phenix Biocomposites στις ΗΠΑ, παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιεί μια κόλλα με βάση τη σόγια, στα διάφορα προιόντα που παράγει με πρώτη ύλη τον αραβόσιτο και τις φλούδες σπόρου ηλίανθων (Σχήμα 3.1.) (Peijs, 2002).

Σχήμα 3.1: Εφαρμογές των προϊόντων Phenix Biocomposites (πρώτη ύλη αποτελούν οι φλούδες σπόρου ηλίανθων).

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Ο μοναδικός συνδυασμός αξιόλογων φυσικών-μηχανικών ιδιότητων και ο φιλικός περιβαλλοντικός τους χαρακτήρας σε συνδυασμό με το χαμηλό τους κόστος, οδήγησε πολλούς τομείς της βιομηχανίας στην στη χρησιμοποίηση φυσικών πρώτων υλών, όπως ίνες ξύλου, λιναριού, κάνναβης, σαν πρόσθετα για την κατασκευή συνθετικών θερμοπλαστικών υλικών. Εκτιμάται ότι η Ευρωπαική αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί σήμερα 25,000 τόνους φυσικών ινών, στην πλειοψηφία τους ίνες λιναριού και κάνναβης, ενώ ο αριθμός αυτός αναμένεται να διπλασιαστεί μέχρι το 2005. Παρά τα μειoνεκτήματα που παρουσιάζουν, αποτελούν ισχυρά υποψήφια υλικά για να αντικαταστήσουν τις ίνες γυαλιού σε πολλές εφαρμογές.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Hill CAS, Abdul Khalil HPS, Hale MD (1997). A study of the potential of acetylation to improve the propertiew of plant fibres. Industrial Crops and Products 8:53-63.

Lee NJ, Jang J (2000). The effect of fibre content gradient on the mechanical properties of glass-fibre-mat/polypropylene composites. Composites Science and Technology 60:(2) 209-217.

Mohanty AK, Misra M (1995). Studies on Jute Composites-A literature review. Polymer-Plastic Technology and Engineering 34:(5) 729-792.

Papadopoulos AN, Hill CAS. Unpublished results.

Papadopoulos A.N. (2002). Products from non wood sources. The Bio Products Journal 3(8):3-12.

Peijs T. (2002). Recent developments in ecocomposites. Proceedings of the 4^th International Wood and Natural Fibre Composites Symposium. Kassel, Germany. Pp: 10:1-10:11.

Saheb DN, Jog JP (1999). Natural fibre polymer composites: A review. Advances in Polymer Technology 18:(4) 351-363.

Stark NM (1999). Wood fiber derived from scrap pallets used in polypropylene composites. Forest Products Journal 49: (6) 39-46.