Analizy

Jakie zastosowania w transporcie kolejowym mają tworzywa polimerowe i kompozytowe?

Rozwój inżynierii materiałowej a także technik wytwarzania przyczynił się w skali globalnej do zmian w stylu życia współczesnych ludzi. Jednym z jego przejawów jest możliwość szybkiego przemieszczania ludzi i ładunków w obrębie kontynentu i przestrzeni transkontynentalnej.

Wzrost wymiany osobowej i towarowej środkami masowego transportu generuje potrzebę energooszczędnego wytwarzania pojazdów, spełniających współczesne oczekiwania, zwłaszcza w zakresie zużycia paliwa i emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Jednym ze sposobów realizacji tych celów jest wzrost udziału lekkich materiałów polimerowych i kompozytowych w budowie pojazdów. Tworzywa polimerowe, mimo ostatnio pojawiającym się doniesieniom (często jako fałszywe wiadomości ang. fake news) o ich negatywnym oddziaływaniu na środowisko naturalne i człowieka, są materiałami dzięki którym można kreować przełomowe dla jakości naszego życia wynalazki. Przykładem jest opatentowany w 1870 roku celuloid, który umożliwił zapis ruchomych obrazów na taśmie filmowej i spowodował rozwój fotografii. Skuteczne ocieplanie budynków materiałami izolacyjnymi, wytwarzanie olbrzymich łopat wirników siłowni wiatrowych (w 2019 roku ich długość przekroczyła już 100 m) czy też skonstruowanie tzw. sztucznego serca (w tym również polskiego, autorstwa pracowników Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii z Zabrza) do wspomagania pracy naturalnego układu krążenia pacjenta, nie byłoby możliwe bez udziału tworzyw polimerowych. Zasadniczym składnikiem w budowie tych materiałów są makrocząsteczki, które oddziaływują na siebie siłami wiązań chemicznych (najmocniejsze, wiązanie pomiędzy makrocząsteczkami w wyniku sieciowania makrocząsteczek – duroplasty) lub siłami wiązań fizycznych, głównie poprzez oddziaływanie międzycząsteczkowe van der Waalsa (tworzywa termoplastyczne). Termoplasty można wielokrotnie przetwarzać, ponieważ większość z nich ulega topnieniu w zakresie 200-300 stopni Celsjusza. Jedynie materiały o strukturze usieciowanej (np. żywice epoksydowe i poliestrowe, poliuretany, guma) nie topią się, co utrudnia ich wtórne wykorzystanie.

Przykłady lekkich konstrukcji:

Pas przedni do mocowania świateł w samochodzie ciężarowym
z poliamidu 6, 
z dodatkiem włókien szklanych (PA6 GF)

Fot. Dariusz Sykutera, Światowe Targi Tworzyw Sztucznych K 2013 i 2016, Düsseldorf

Karoseria samochodu i szyby wykonane z poliwęglanu (PC)

Fot. Dariusz Sykutera, Światowe Targi Tworzyw Sztucznych K 2013 i 2016, Düsseldorf

Wzrost wymiany osobowej i towarowej środkami masowego transportu generuje potrzebę energooszczędnego wytwarzania pojazdów.

 

Niewątpliwą zaletą tworzyw polimerowych jest ich mała gęstość od 900 do 2200 kg/m3, co w porównaniu do stali jest wartością wielokrotnie mniejszą (zakres gęstości stali 7400-7900 kg/m3). Ponadto, produkcja wytworów polimerowych
i ich recykling mechaniczny są procesami energooszczędnymi w stosunku do przeróbki innych materiałów konstrukcyjnych. Bardzo ważna z punktu widzenia użytkownika jest także ich dobra izolacyjność cieplna i elektryczna i dla i dla większości z nich hydrofobowość. Niestety tworzywa polimerowe posiadają wady, do których z punktu widzenia zastosowań w środkach transportu należy zaliczyć: niskie w porównaniu ze stalą i aluminium wartości modułu Younga oraz wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej, zmienność właściwości mechanicznych w zależności od czasu obciążania i temperatury otoczenia, relaksacja naprężeń czy też kilkukrotnie większa w stosunku do stali rozszerzalność termiczna oraz palność. W związku z tym tworzywa polimerowe modyfikuje się napełniaczami wzmacniającymi, przede wszystkim włóknami ciętymi i długimi oraz uniepalniaczami.

Obie formy modyfikacji materiałów można dostrzec w konstrukcyjnych elementach budowy pojazdów. Dąży się w ten sposób do redukcji masy własnej środka transportu, przy zachowaniu akceptowalnych właściwości mechanicznych i użytkowych. Zastosowanie większej liczby lekkich elementów z polimerowych tworzyw konstrukcyjnych spowodowało zauważalne zmniejszenie zużycia paliwa i energii elektrycznej. W dobie wdrażania polityki zrównoważonego rozwoju i pakietu dla Gospodarki o Obiegu Zamkniętym (GOZ, ang. Circular Economy), tego typu działania są szczególnie uzasadnione. Lżejsza konstrukcja środka transportu to w skali globalnej również istotne obniżenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Spoglądając na współczesny samochód często nie domyślamy się, że do jego budowy używa się przeciętnie około 300 kg tworzyw polimerowych i kompozytów, często pochodzących z recyklingu mechanicznego. Do najważniejszych konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych stosowanych w tym obszarze zalicza się poliamid (PA) oraz poliwęglan (PC).

Znacznie bardziej interesującą grupą materiałów konstrukcyjnych są kompozyty, a zwłaszcza ich odmiany hybrydowe. Są to wytwory lekkie, składające się z różnych materiałów, o odmiennej strukturze i właściwościach. W tych działaniach próbuje się także naśladować i podpatrywać świat fauny i flory (bionika).

Przykłady kompozytów hybrydowych:

Lekki duroplast z zatopionymi w osnowie włóknami aramidowymi typu Kevlar®

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

Lekki kompozyt hybrydowy korek (rdzeń)/laminat
z włóknem węglowym (warstwa wierzchnia)

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

Lekka płyta o znacznej grubości PC/PET

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

Koncepcja elastycznego, lekkiego skrzydła wykonanego z polimerowych segmentów modułowych,
zapewniających sztywność (węzły) oraz elastyczność (łączniki)

Fot. NASA, 2019

Pomimo, że trudno nam uzyskać podobne sukcesy w wytwarzanych współcześnie obiektach latających w porównaniu do osiągów ważki lub kolibra to jednak pojawiły się optymistyczne przykłady wdrożeń, które czynią podróże bardziej efektywnymi pod względem energetycznym, przy jednoczesnym wzroście komfortu pasażera. Dreamliner i Airbus 350 to przełom technologiczny w budowie samolotów. Do wytwarzania kadłubów zastosowano kompozyty na osnowach żywic epoksydowych z dużym udziałem ciągłych włókien węglowych. W ten sposób to już nie duraluminium i stal, ale lekkie materiały hybrydowe są najważniejszymi materiałami stosowanymi do budowy tych obiektów (ponad 50% mas.). Doniesienia z USA wskazują, że inne podejście do wytwarzania obiektów latających już zadomowiło się w głowach inżynierów konstruktorów. W tym względzie dąży się między innymi do zwiększenia elastyczności skrzydeł, przy zachowaniu dotychczasowych ich cech użytkowych.

Czy w konstrukcjach pojazdów szynowych można zaobserwować podobne zmiany? Wydaje się, że pomimo widocznych zmian konstrukcji kompozytowych, lekkich czół pojazdów wykonanych z duroplastów i tendencji do stosowania lekkich materiałów termoplastycznych (PC, ABS) do wyposażania wnętrz pociągów pasażerskich, w produkcji pojazdów szynowych można zastosować znacznie więcej lekkich materiałów hybrydowych.

Możliwości jest bardzo dużo i naszym zdaniem można je w łatwiejszy sposób wdrożyć niż w lotnictwie (które już tych zmian częściowo dokonało). Wymaga to jednak działań zespołów interdyscyplinarnych, bo zarówno współczesne materiały konstrukcyjne jak i technologie ich przeróbki są także hybrydowe, to znaczy integrują w końcowym produkcie materiały o różnych właściwościach, a do ich wytwarzania integruje się i rozwija różne technologie. Dobrym przykładem skutecznego działania w tym względzie jest wytwarzanie złożonych elementów karoseryjnych z wykorzystaniem tzw. blach organicznych (kompozyty CFRP) w technologii wtryskiwania termoplastów. W ten sposób produkuje się już od prawie 7 lat, zgodny z wymogami ekoprojektowania samochód elektryczny BMW i3.

Współczesne czoła pociągów dużych prędkości:

Czoło prototypowego pociągu Maglev, który ma rozwijać prędkość do 600 km/h

Fot. www.wprost.pl

Czoło japońskiego pociągu pasażerskiego E5 Series Shinkansen
“Hayabusa”, o długości 15 metrów

Fot. www.dreamstime.com

Z uwagi na fakt, że nowoczesne koleje projektuje się z myślą o dziesięcioleciach, tego typu struktury polimerowe są szczególnie pożądane, bo nie korodują i nie podlegają procesom gnicia. Lekka konstrukcja pomaga znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na energię, a także zużycie systemów kolejowych, poprzez cykliczne obciążenia (cykle przyspieszania i zwalniania pojazdów). Lekka konstrukcja z kompozytów hybrydowych dobrze tłumi drgania i hałas, a specjalnie przygotowana pod zastosowania kolejowe, będzie bardzo dobrą izolacją termiczną, odporną na ogień. Obok pojazdów szynowych ciekawą grupą zastosowań materiałów polimerowych i ich kompozytów jest infrastruktura kolejowa, a znakomitym przykładem wdrożeń z ostatniego czasu są podkłady kolejowe. Zarówno w Europie jak i w innych zakątkach świata np. w Australii i Nowej Zelandii, dostrzeżono potencjał tkwiący w tego typu wytworach, jako alternatywa dla podkładów kolejowych z drewna. W Niemczech ułożono do sierpnia 2019 roku ponad 11 000 metrów bieżących podkładów z tworzyw termoplastycznych, wzmocnionych w części rdzeniowej długimi włóknami szklanymi LGF lub prętami metalowymi. Żywotność tych przyjaznych dla środowiska kompozytów hybrydowych ocenia się na 50 lat, przy czym można je w 100% poddawać procesowi recyklingu mechanicznego (produkt spełnia założenia Gospodarki o Obiegu Zamkniętym GOZ). Podkłady polimerowe są odporne na związki chemiczne oraz działanie UV i ozonu, można je w łatwy sposób obrabiać, np. docinać, frezować i wiercić. Ciekawe jest to, że osnową tych kompozytów są tworzywa poliolefinowe (polipropylen PP oraz polietylen PE), które pozyskano z odpadowych opakowań foliowych w procesie recyklingu mechanicznego.

Struktury hybrydowe aluminiowo-polimerowe lub stalowo-polimerowe:

Pas przedni samochodu Mercedes, kompozyt węglowy CFRP
(ang. Carbon Fiber Reinforced Polymer)

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

Innowacyjny bardzo lekki fotel wykonany z tworzyw
polimerowych, 
łącznie z elementami sprężystymi

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

Podłoga samochodowa polimerowo-stalowa,
CF – włókna węglowe

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

Płyta aluminiowa z lekkim rdzeniem z polipropylenu
(gęstość PP 900 kg/m3)

Fot. Dariusz Sykutera, Targi Composites Europe 2019, Stuttgart

 

Fot. www.strail.de

Polimerowe podkłady kolejowe Strailway wykonane z poliolefinowych surowców wtórnych. Elementy zostały przebadane przez Uniwersytet w Monachium i po przejściu pozytywnych testów zaakceptowane przez Deutsche Bahn
Intensywny wzrost zapotrzebowania na produkty z tworzyw polimerowych skutkuje rozwojem branży narzędziowo-przetwórczej co jest obserwowane również w Polsce. Przykładem jest Bydgoszcz, która nazywana jest „Doliną Narzędziową”. W Bydgoszczy działalność gospodarczą w obszarze produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych i produkcji narzędzi prowadzi około 250 przedsiębiorstw, a w całym województwie kujawsko-pomorskim ponad 14 000 osób znajduje zatrudnienie w tym sektorze. Wiele z tych firm zrzeszonych jest w Bydgoskim Klastrze Przemysłowym, stowarzyszeniu, którego misją jest tworzenie optymalnych warunków rozwoju, stymulowanie współpracy oraz integracja środowiska przetwórców i narzędziowców sektora tworzyw sztucznych. Bydgoski Klaster Przemysłowy posiada status Krajowego Klastra Kluczowego, czyli uznany jest przez Ministerstwo Przedsiębiorczości i Technologii za podmiot o wiodącym i strategicznym znaczeniu dla gospodarki kraju i wysokiej konkurencyjności międzynarodowej.

Naturalnym zapleczem badawczo-rozwojowym dla firm zrzeszonych w Bydgoskim Klastrze Przemysłowym jest posiadający blisko 70-letną tradycję Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy. Uczelnia posiada obecnie 7 wydziałów i kształci na ponad 30 kierunkach studiów. Zagadnieniami związanymi z problematyką tworzyw sztucznych i ich przetwórstwem zajmują się pracownicy Katedry Technologii Materiałów Polimerowych na Wydziale Technologii i Inżynierii Chemicznej oraz Katedry Technik Wytwarzania na Wydziale Inżynierii Mechanicznej. W odpowiedzi na zapotrzebowanie rynku pracy na specjalistów posiadających wiedzę i umiejętności z zakresu inżynierii materiałów polimerowych Wydział Inżynierii Mechanicznej prowadzi studia na kierunku przetwórstwo tworzyw sztucznych. Studia inżynierskie o profilu praktycznym realizowane są we współpracy z Bydgoskim Klastrem Przemysłowym. Model kształcenia na tym kierunku ma charakter dualny, czyli łączy możliwość zdobywania przez studentów wiedzy i umiejętności w czasie zajęć akademickich oraz cennego doświadczenia podczas pracy w firmach zrzeszonych w Bydgoskim Klastrze Przemysłowym. Podczas zajęć realizowanych na Wydziale Inżynierii Mechanicznej studenci mają okazję korzystać z jednego z najlepiej wyposażonych laboratorium przetwórstwa i recyklingu tworzyw sztucznych w Polsce, gdzie oprócz technologii wytwarzania i recyklingu produktów polimerowych i kompozytowych, mają możliwość oceny ich struktury i właściwości. Studia dualne to nowoczesny model kształcenia, który cieszy się coraz większą popularnością zarówno wśród studentów, jak i przedsiębiorców.

Dariusz Sykutera, Artur Kościuszko
Katedra Technik Wytwarzania, Wydział Inżynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy