I. A polimer mint mérnöki (szerkezeti) anyag

A nyugati civilizáció előnye (fölénye?) a látszat szerint technikai előny. Amerikában, Nyugat-Európában ilyen meg ilyen kényelmesen élnek, dolgoznak és pihennek az emberek, ennyi meg ennyi technikai eszköz szolgálja őket. A 20. század technikai civilizációjának gyorsuló pályáján a leglátványosabb vívmányok az anyag és az energia fizikájának és kémiájának alaptudományi felfedezéseiből adódtak. (Éppen száz éve jelentek meg Einstein világraszóló munkái, amelyek új kapcsolatot teremtettek az anyag és az energia között.) A technikai civilizáció kézzelfogható eszközeit megteremtő mérnök ezt a - most már mélyebben megismert - anyagot és energiát alkalmazta újféle módon a 20. században.

Az bizonyos, hogy a kémiában az elmúlt évszázadban az anyagtudomány és a kapcsolódó technológiák területén történtek a legmélyrehatóbb változások. A mérnöki anyagok (engineering materials) mindhárom nagy családja: a fémek, a polimerek és a kerámiák tudásalapja - ismeretünk az anyag szerkezetéről és tapasztalatunk a gyártási és feldolgozási technológiákról - nagyobbat fejlődött az elmúlt néhány évtizedben, mint a korábbi évezredekben együttvéve.

A polimerek kémiája ezen belül létrehozott egy egészen új, mesterséges anyagcsaládot, amely az elmúlt negyven évben évi 200 millió tonna felhasználási szintre növekedett a világban, ami volumenben mérve már kétszerese a világ acélfelhasználásának. Az acélgyártás és a műanyaggyártás egymáshoz viszonyított mennyisége a világban és hazánkban is döntő fordulatot vett az elmúlt 20-25 évben. A világ fejlett régióiban (USA, Ny-Európa, Japán) volumenben már 1980-ban több műanyag készült, mint acél. Világméretekben a két trendvonal 1990 táján keresztezte egymást (1. ábra). Ma már a tonnában mért termelési értékek is összemérhetők. A világ acélgyártása manapság évi 900 millió tonna körüli, míg a műanyaggyártás évi 200 millió tonna feletti.

A kérdés az, hogy hová vezet a három alapvető szerkezeti anyagcsalád, a fémek, polimerek és kerámiák versenye? Meddig mehet ez így tovább, meddig növekedhet a kőolaj alapú műanyaggyártás a hagyományos szerkezeti anyagokkal szemben?

A környezetért aggódók legnagyobb gondja, leggyakoribb érve ezzel kapcsolatban az, hogy a műanyag a globalizálódó világ indokolatlanul erőltetett fogyasztásának tipikus anyaga, amely elfogyasztja a kőolajat, a Föld meg nem újítható nyersanyagát, és így nincs helye a fenntartható fejlődésben. Ezen felül gyakori vád az is, hogy a műanyag a felelős a legnagyobb mértékű és legveszélyesebb környezetszennyezésért, mivel az egyszeri használat után elhajított és el nem bomló műanyag tárgy még a talajban is összeférhetetlen marad az élet minden formájával.

Mi is az a műanyag?

A polimerek, a kovalens kémiai kötéssel összekötött ismétlődő egységekből mint láncszemekből felépített makromolekulák anyagtudománya jóval szélesebb, mint a műanyagok világa. Az élő természet ugyanígy építi fel például a monoszacharidokból a cellulózt, a tejsav "monomerekből" a polilaktidokat, az aminosavakból a fehérjét. Elsősorban ezek a természetes polimerek adják azt az évenként megújuló nyersanyagbázist is, amelynek felhasználója többek között a fa-, papír- és bútoripar, a textil- és bőripar. Ez a biomasszatermelés Földünkön évi százmilliárd tonna nagyságrendű, tehát három nagyságrenddel nagyobb, mint a műanyagipar, már csak ezért sem szűkíthetjük le a polimerek fogalmát a műanyagokra.

A természetes polimerek feldolgozóiparát korábban szokás volt könnyűiparnak nevezni, szemben a stratégiai anyagokat feldolgozó nehéziparral. Csak az érdekesség kedvéért jegyzem meg, hogy a gumit és a műanyagot viszont annak idején a nehéziparhoz sorolták. A természetes polimerek (3. ábra) iparágai, így a papíripar, faipar, bőripar egyébként manapság igen sok mesterséges polimert is felhasználnak például kötő- és bevonóanyagként, illetve társított, kompozit rendszerekben (4. ábra).

 

Amikor a német "Kunststoffe" kifejezést fordítottuk le magyarra, nagy kockázatot vállaltunk. A "műanyag" szó ugyanis sokakban még ma is hamisan cseng, és azt a képzetet kelti, hogy az ilyen anyag szemben áll a "valódi" anyagokkal. Pedig az acél sem fordul elő a természetben, s a fémötvözetek, a kerámiák, az üveg, sőt a természetes polimer alapú papír vagy bőr is művi úton, műveletek során, műszaki tudás alapján jön létre, így akár ezeket is nevezhetnénk műanyagoknak.

II. A 20. század eleje: a természettől ellesett mesterséges anyagok kora

A 20. század technikája elképzelhetetlen a testre szabott mesterséges polimerek, műanyagok nélkül. Hogy csak néhány példát említsünk: a korai elektrotechnika a nagyszilárdságú szigetelőanyagok nélkül el sem indulhatott volna. Aztán gondoljunk a százéves bakelit konnektorra (5. ábra) vagy a ma már földbe temetett, jól szigetelt nagyfeszültségű kábeleinkre. E technika csúcsát képviseli, hogy mai számítógépünk agyában, az apró csokoládészelet méretű IC-ben a több mint 5 millió tranzisztor rajzát polimer reziszt lakk segítségével viszik fel az integrált áramköri egység rétegeire (6. ábra).

 

A polimerkémia talán legnagyobb vívmánya az, hogy míg az anyagok megismerésének történetében korábban évszázadokon át az analízis, az elemző kémia dominált, addig ebben az újkori szakaszban a felépítés, a szintézis kémiája és ipara jutott érvényre. Manapság a vegyipar termelési értékének, a kémiai tudományos publikációknak és találmányi szabadalmaknak is mintegy 40%-át a polimerkémia adja.

A szintetikus polimerek kémiájának korszaka a polikondenzációval indult (animáció). Ebben a fáradságos lépcsős reakciósorozatban, amelyet például a gyógyszerkémia ma is használ, a molekulacsoportokat egyenként kell kapcsolni. Az első mesterséges polimer a fenolból és formaldehidből létrehozott bakelit volt (1907). Nem sokkal később ugyanezt a polikondenzációt az élő anyag bomlástermékeivel: karbamiddal és formaldehiddel is meg tudták valósítani.
Animáció ^|1}| : Polikondenzáció

Az animáció megtekintéséhez Macromedia Flash Player 8-ra van szükség. Ingyenesen letöltheti itt.

Ami ez után következett, az már valóban a tudomány forradalma volt: Hermann Staudinger (7. ábra) megalkotta a makromolekulák elméletét. Az a történelmi igazság, hogy 1922-ben, amikor először fejtette ki, hogy a szerinte kovalens kötésekkel kapcsolt láncszemekből álló cellulóz makromolekula elvileg akár az acélnál is nagyobb szilárdságú lehet, a Német Tudományos Akadémia kolloidikus professzorai (enyhén szólva) megmosolyogták. Pedig akkorra már ipari méretekben gyártották a bakelit villamos szigetelőket, a szintetikus autólakkokat és sok más polimer terméket. A műanyagtechnológia, a makromolekulák technológiája kezdetben tehát előbbre járt, mint az elmélet: a mérnökök messzebbre jutottak, mint a teoretikusok. (Ez a sorrend sok más technológiában is megfigyelhető.) Ezután azonban sorra értek be az elmélet és a gyakorlat jótékony kölcsönhatásának gyümölcsei.

Nem sokkal később, 1935-ben megjelent a poliamid-66, a nylon. Az elnyűhetetlen nylonnal megtanultuk a fehérjék amidkötését reprodukálni, sőt a természetes selyemnél, gyapjúnál jóval magasabb szilárdsági szinten létrehozni (8-9. ábra).

III. A 20. század gyorsuló szakasza: a láncreakciók

Még ennél is nagyobb eredménynek számít az akrilátok (a "plexi"), a polisztirol, a polivinilklorid (PVC) nagyipari megjelenése (1934, BASF, I. G. Farbenindustrie) és ezzel szinte egyidejűleg a polietilén (LDPE) első sikeres megvalósítása (1933, Imp. Chemical Industries, UK; E. W. Fawcett és R. O. Gibson). Ezzel ugyanis megjelent a kémia nagyipari szintézisében a láncreakció. Természetesen már jóval korábban ismerték a durranógázt, és az égés, az oxidáció mechanizmusát is jól hasznosították a kémiában, de a nukleáris láncreakciókról akkor még csak sejtéseink voltak. Itt érdemes megjegyezni, hogy a polimerizáció láncreakciója a magreakcióknál annyiban veszélyesebb, hogy maga az alapanyag és a végtermék is (főleg szénhidrogén lévén) akkora égéshővel ég, mint a kőolaj (~ 40 MJ/kg), míg a lánc növekedésének minden lépése (itt is, mint a magreakciókban) erőteljes hőfelszabadulással jár.

A polimerizáció láncreakciója önfenntartó, igen gyors sorozatreakció, amely erősen éghető (szénhidrogén) monomerből, sok ezer lánctagú valóságos molekulaláncot, polimert hoz létre exoterm reakcióban, erőteljes hőfelszabadulás mellett (animációk).
Animáció ^|2}| : Nukleáris láncreakció

Animáció ^|3}| : A polietilén kialakulása

Az animáció megtekintéséhez Macromedia Flash Player 8-ra van szükség. Ingyenesen letöltheti itt.

Anglia a közelgő háború előszelét érezve titkosította a polietilénnek mint a radartechnika nélkülözhetetlen és utolérhetetlenül kiváló szigetelőanyagának gyártási eljárását. A titkosítás olyan jól sikerült, hogy Csűrös professzor első műegyetemi Műanyag jegyzetében még ez állt 1941-ben: "az etilén nem hajlamos sokszorozódásra".

Akkor bizony még senki nem gondolta volna, hogy a polietilénből, a haditechnika titkosított anyagából lesz a legnagyobb tömegben gyártott, a környezetvédőknek legnagyobb gondot okozó, eldobható tömegműanyag, a mai "nylonzacskó". (Manapság hazánkban napi 1000 tonnát gyártunk a legegyszerűbb poliolefin-típusokból.)

A polietilén gyártás sikere a háború után nyilvánvalóvá tette a polimerizációnak mint megzabolázott kémiai láncreakciónak a jelentőségét. A nagysebességű, önfenntartó láncreakció a makromolekuláris kémiában elsősorban azzal hozott újdonságot, hogy itt nemcsak energetikai láncot, hanem valóságos molekulaláncot hozott létre, erős, kovalens kötésekkel kapcsolt láncszemekkel - ahogyan azt Staudinger professzor feltételezte. Ráadásul ez a lánc, amely a szén-szén kettős kötések felszakadásával jött létre, a lehető legegyszerűbb telítetlen szénhidrogén-molekulából, az etilénből is felépíthető volt. Ilyen, túlságosan is primitív polimert a bőkezű természet sohasem teremtett. Carothers nylonja is primitív, kétkomponensű halvány utánzata a természet protein polimerjeinek, amelyek az élő anyag legizgalmasabb funkcióit - a bontás és építés, a szaporodás és a halál képességét - és szinte minden emberi vonásunk genetikai kódját hordozzák; nem kétféle monomer, hanem húszféle esszenciális aminosav részvételével, több mint 10300 (!) változatban (10. ábra).

Ezeknek a protein-funkcióknak a felderítéséért, közelítéséért adták a legutóbbi kémiai Nobel-díjat a magyar származású Avram Hershko professzornak. Az a túlságosan is egyszerű polietilén viszont, amelynek előállíthatóságában nemcsak Csűrös professzor, de korábban maga Staudinger sem bízott, kitűnő villamos és kémiai ellenállásán felül még a természetes cellulózhoz hasonló szabályos kristályszerkezettel is rendelkezett (11. ábra). Ez a szilárdsági mutatók további javításának lehetőségét is magában hordozta.

Az 1960-as években már több mint évi 1 millió tonna volt a világ szintetikus polimer-termelése. A láncreakciókat addigra már a nukleáris technika is elkezdte megzabolázni: felépültek az első energetikai reaktorok. A következő húsz év olyan látványos, csaknem exponenciális fejlődést hozott a műanyagiparban, mint amilyet egy-két évtizeddel később az elektronikai ipar, a számítástechnika produkált. Sorra születtek az új polimerek s a feldolgozásukhoz szükséges nagysebességű gépek és eljárások, amelyek ma már életünk elengedhetetlen kellékeit állítják elő. Gondoljunk például a polikarbonátból fröccsöntött CD-re, DVD-re vagy CD-ROM lemezre. Egyetlen, 4-5 másodperces fröccsöntési ciklusban kevesebb mint 10 g szintetikus anyagból olyan nagy kapacitású, elnyűhetetlen lemezt állítunk elő, amely 300 000 nyomtatott oldalnak megfelelő adatot hordozhat. Ez mintegy tízszer akkora gyűjtemény, mint Mátyás királyunk nevezetes könyvtára (12. ábra). Ráadásul mindez 0,5 euróba kerül önköltségi áron, a kiegészítő műveletekkel (fémgőzölés, lakkozás, csomagolás stb.) együtt, de természetesen szerzői jogdíjak nélkül.

Vegyünk egy másik példát. Egy modern gépkocsiban ma már 150-200 kg szintetikus polimer van (animáció). Ez adja benne az emberközeli megoldásokat: a rugalmas üléstől a biztonsági övig, a lökhárítótól a saválló akkumulátoredényen át a légzsákig és a belső burkolatokig. Polimerből vannak fontos motoralkatrészek, például a benzin-levegő keveréket betápláló csatornarendszer, a kenést soha nem igénylő szervomotorok csapágyai. Mindenekelőtt pedig polimerek biztosítják a külső hatások hatékony csillapítását. Polimerből van a kerék (a gumiabroncs), a motor felfüggesztő csatlakozásai, fontos elemek a lengéscsillapítóban, s polimer alkatrészek biztosítják járműveinken a külső zaj, nedvesség, hőhatások elhárítását. A funkciók többsége abból ered, hogy a polimerek fizikai-mechanikai válaszai nem egyszerűen rugalmas válaszok, mint a fémeké, hanem késleltetett, csillapított, viszko-elasztikus válaszok, amelyeknek pontos modellezésén még ma is dolgoznak a mechanika professzorai. A polimerek egyre bővülő gyakorlati alkalmazása tehát nem a fémek kiváltását, hanem a fémes funkciók kiegészítését szolgálja (not competing, but completing).
Animáció ^|4}| : Polimerek a gépkocsiban

Az animáció megtekintéséhez Macromedia Flash Player 8-ra van szükség. Ingyenesen letöltheti itt.

Időközben a 20. század végére megvalósult Staudinger professzor előrejelzése is, méghozzá éppen azzal az egyszerű polietilénnel, amelynek előállíthatóságában maga sem reménykedett. A valóban óriási molekulájú (1 millió Dalton móltömegű), elágazásoktól mentes polietilénből nagymértékben orientált, több mint 90%-ban kristályos (HOPE - Highly Oriented Polyethylene) szálakat lehet gyártani, amelyek szakítási szilárdsága meghaladja az acélét. (Hengerelt hídacél lemez: 500 MPa, acélsodrony: 1800 MPa, HOPE: 2700 MPa). Ha mindezt azzal is összevetjük, hogy az acél sűrűsége 7,86 g/ccm, a HOPE sűrűsége pedig csak 0,97 g/ccm, akkor a következő ábrán (13. ábra) látható szemléletes összehasonlítást tehetjük.

A képzeletbeli helikopter, amely addig emeli a különféle köteleket, ameddig azok saját súlyuk alatt el nem szakadnak, csaknem tízszer olyan magasra emelheti a polietilén kötelet, mint az acélsodronyt. (A szakítási szilárdság és a sűrűség hányadosa eredményezi ezt.) Ilyen sodratok, fonatok kaphatók ma már hegymászó kötélként, gépkocsik vontatóköteleként, de készülhet belőle golyóálló mellény, bukósisak is.

Manapság mintegy húszezer szintetikus polimerféleség között válogathatunk: minden anyagcsaládból a feldolgozási eljárásnak (sajtolás, fröccsöntés, csőextrúzió, hengerlés, mélyhúzás, palackfúvás, szálképzés stb.) megfelelő és a felhasználási követelményeket is kielégítő típust ajánlanak. Más PVC-ből készül a földbe fektetett cső és más típusból a tűző napsugárnak ellenálló ablakkeret, és mindkettő tartós marad legalább 50 évig. A kémia hallatlanul szellemes adalékokkal biztosítja az ilyen stabilitási követelményeket: az oxidációval, UV-hatással, hővel, tűzzel, biológiai és egyéb korrózióval, illetve általában az öregedéssel szembeni állandóságot.

IV. A kőolaj és a műanyag kapcsolata

A legsúlyosabb vád a műanyag ellen, hogy elfogyasztja a kőolajat, a Föld meg nem újítható nyersanyagát, és így nincs helye a fenntartható fejlődésben. Ezt a vádat valóban komolyan kell vennünk. Nézzük meg közelebbről, milyen kapcsolatban van a világ kőolajfogyasztása és a műanyagipar. Az ezt bemutató animáció meglehetősen szemléletes.
Animáció ^|5}| : Kőolajtölcsér

Az animáció megtekintéséhez Macromedia Flash Player 8-ra van szükség. Ingyenesen letöltheti itt.

Nem nehéz felismerni, hogy közvetlen összefüggés van a kőolajfogyasztás, a teljes hazai össztermék (GDP) és a műanyag felhasználás között. (Természetesen sok minden mást is ábrázolhatnánk a GDP-vel összefüggésben, az egy főre jutó fogkrémfogyasztástól vagy tévékészüléktől akár a gépkocsik számáig vagy az internet-hozzáférésig. Alighanem az egy főre jutó egészségügyi oktatási, sőt kutatási és fejlesztési költségek is hasonló éles különbségeket mutatnak.)

Az mindenesetre jól látszik, hogy az emberiség 6 milliárdos közösségéből a felső 1 milliárd fő (a három nagy fejlett régióban: Észak-Amerikában, Európában, Japánban) elfogyasztja a kőolaj kétharmadát: 2003-ban 3500 millió tonna kőolajból 2200 millió tonnát. Ebben a felelősségben ma már az EU tagjaként nekünk, magyaroknak is osztoznunk kell. Az is tény, hogy ebből a 2200 millió tonnából a három vezető régió (USA, EU, Japán) csak 940 millió tonnát termelt, tehát elsősorban a Föld más tájainak meg nem újuló nyersanyagát fogyasztja.

V. Mennyi kőolajból mennyi műanyag?

A kőolajfogyasztás és a műanyag-felhasználás viszonyszáma rendkívül fontos információ. A 14. ábrából az is kiderül, hogy a világ jelenlegi kőolaj-felhasználásának alig több mint 7 %-a fordítódik műanyaggyártásra. A kőolaj túlnyomó többsége, több mint 80 %-a közvetlen energetikai felhasználásra kerül, hajtóanyag (benzin, gázolaj, kerozin) vagy fűtőanyag formában. A vegyipari célú felhasználásból a műanyagipar részesedik a legnagyobb mértékben, a gyógyszer-, növényvédőszer-, mosószer-, színezék- stb. felhasználás annál együttesen sem sokkal nagyobb.

A kőolaj elfogyasztásáért tehát döntően nem a műanyaggyártás a felelős. Éppen ellenkezőleg: egyedül a járműgyártásban, az autó- és repülőgépiparban megjelenő, növekvő műanyaghányad olyan mértékben könnyíti járműveinket, hogy az ebből eredő fajlagos üzemanyag-megtakarítás többszörösen felülmúlja az adott műanyagok előállításához használt kőolaj mennyiségét.

Mindezek ellenére felmerül a kérdés, mit fogunk tenni a néhány évtized múlva várhatóan elfogyó vagy túlságosan megdráguló kőolaj utáni korszakban? Miből fogjuk gyártani 2050-ben járműveink műanyag alkatrészeit vagy számítógépünk legfontosabb részeit: nemcsak a billentyűzetet és a (polimer) folyadékkristályos monitort, hanem az integrált áramköri alkatrészeket, akkori mobiltelefonunkat stb.?

A válasz a természetes polimerek világában keresendő.

VI. Biodegradábilis-e a műanyag?

Modern korunk egyik gondja éppen ebből fakad, és ez a másik legnagyobb vád a szintetikus polimerekkel szemben, hogy a természetben elemészthetetlen műanyag a felelős a legveszélyesebb környezetszennyezésért. Mindenek előtt azt kell tudnunk, hogy az üveg vagy a betontörmelék sem biodegradábilis, tehát a környezeti összeférhetőség, a biokompatibilitás nemcsak ezzel a mérnöki anyaggal kapcsolatos gond. A rozsdamentes acélt vagy a színesfémeket sem emészti el a föld. A "környezetbarátságot", az alapanyagforrást és az újrahasznosíthatóságot együtt kell értékelnünk. A másik két szerkezeti anyagcsalád nagy előnye, hogy a szilikátok (üveg, kerámia, beton) alapanyag-utánpótlása kimeríthetetlen, a fémek újrafeldolgozása pedig a kohászat évezredes tapasztalatai alapján jól megoldott. A természetes polimerek mindenesetre biodegradábilisak: a fa elkorhad, a gyapjú is elbomlik földbe ásva. De miért összeférhetetlen az élő természettel a műanyag?

A választ a polimerek stabilitásának értelmezésével kell kezdenünk. A szintetikus polimer annyira stabil a napfénnyel, UV-fénnyel, hővel, nedvességgel, egyéb korrózióval szemben, amilyen mértékben stabillá tesszük. Az bizonyos, hogy a polimerkémia a 20. század első harmadában olyan típusú műanyagokat kezdett gyártani, amelyek közelebb álltak a természethez. A bakelit láncszemei között éterkötések is vannak, mint a poliszacharidokban, s ahogyan már hangsúlyoztuk, a nylonféleségek amidkötése ugyanolyan, mint a peptidkötés a fehérjékben. Az üdítőitalos palack anyaga vagy az üvegszálas kompozitok tipikus polimer gyantája, a poliészter ugyanolyan észterkötésekkel kapcsolódik, mint a természetes tejsav polimerjei, a polilaktidok (15. ábra).

Ezek a műanyagok tehát előbb-utóbb (elvileg) bonthatók a bioszféra természet adta eszközeivel (napfény, hő, nedvesség, mikroorganizmusok). Bennük az a közös, hogy a polimer lánc nemcsak szénatomból áll, hanem helyenként oxigénből vagy nitrogénből is. Ha eddig még nem jelentek meg, bizonyosan kifejlődnek (kifejleszthetők) azok az enzimek vagy mikroorganizmusok, amelyek ilyen polimer láncok bontására is alkalmasak lesznek. A helyzet viszont az, hogy e műanyagok kidolgozóitól mindeddig azt várták el, hogy a piacra kerülő termék a lehető legtovább megtartsa kitűnő műszaki tulajdonságait. A stabilitás, az állandóság érdekében sokféle eszközt bevethet és be is vetett a technológus. Az üvegszálas poliészterek térhálósításával például 3D térbeli szerkezetet hozunk létre, hogy az így kapott kompozit oldhatatlan és hőálló legyen, és az öregedéssel szembeni stabilitása hosszú évtizedekre szóljon még a tengervíz agresszív közegében is.

A műanyagok biokompatibilitását illetően valamelyest megváltozott a helyzet a II. világháború után. A nagysebességű és nagy hatékonyságú polimerizációs láncreakciók elterjedésével olyan mesterséges polimerek jelentek meg (mint a polietilén, a polipropilén, a PVC, a polisztirol), amelyekhez hasonlót a természet sosem produkált. Ezek elbontására tehát ökoszisztémánk nincs felkészülve. Ráadásul manapság ezek a legolcsóbb, legnagyobb tömegben gyártott mesterséges anyagaink, amelyek nagy szerepet kaptak az egészséges élelmiszercsomagolásban, a közműellátásban (víz, gáz, csatorna, áram), a mezőgazdaságban és az építőiparban. Olcsóságukat, korrózióállóságukat, stabilitásukat sokáig mérnöki vívmánynak tekintettük, amibe rengeteg fejlesztőmunkát kellett belefektetni. Megszületésükkor sem a PVC, sem a PP nem tűrte például a napsugarat.

A fáradsággal megszerzett tapasztalatokból és eredményekből persze bármikor fel is adhatunk valamennyit. Nincs semmi akadálya, hogy például a primőr zöldségellátást lehetővé tevő PE agrofóliából, ami a hajtatóházakat borítja és ami manapság legalább három idényre szolgál, "egynyári" minőséget gyártsunk, amit az első őszi szél darabokra szaggat, és a maradék a földbe ásva eltöredezik, elporlad. Ez a fóliatípus még olcsóbb is lesz, hiszen a műanyagok stabilizálásához használt sajátos adalékok meglehetősen drágák.

A szerkezeti anyagokkal szemben támasztott igények sokirányúak és sokszor ellentmondanak egymásnak. A mérnök kissé túlzónak érzi azt a követelést, hogy az új szerkezeti anyag egyszerre legyen nagyon szilárd és stabil, és ugyanakkor lehetőleg azonnal bomoljon fel a természet lágy ölén. Vegyük például az üdítőitalos palackot. Ennek mint nyomástartó edénynek magasabb hőmérsékleten is (akár a tengerpart fövenyén is) ki kell bírnia 5-6 bar belső nyomást (miközben a benzinmotorok kompressziója 10 bar!), átlátszónak, higiénikusnak, pillekönnyűnek és főleg olcsónak kell lennie. A vevők gyakran még a betétdíjas, újratölthető palackot sem fogadják el, mert az már karcos, és ki tudja mit tartottak már benne. A gyártónak is sokba kerül a tisztítás, s az ehhez szükséges vegyszer-, víz- és energiafogyasztás is a környezetet terheli. Az volna tehát az igény, hogy a palack, ha kell, tartsa a nyomást akár egy évig, de ha eldobják, bomoljon el vagy legalábbis legyen komposztálható néhány nap vagy hét alatt.

Beépíthetünk-e molekuláris méretű időzített bombákat a mesterséges polimer láncokba, hogy az önmegsemmisítés létrejöjjön? Bizonyára, de az időzítés sok meglepetést okozhat, mint a feledésbe merült taposóakna. Az eddig megvalósított ilyen lebomló polimerek, mint a polivinil-alkohol, a polikaprolakton vagy a poliglikol-féleségek inkább adalékul szolgálnak háztartás-vegyipari cikkekben, mosószerekben, vízkezelő rendszerekben, és nem szolgálnak szerkezeti anyagként kézzelfogható tárgyakban, gépekben, eszközökben.

Az utóbbi években egyre újabb tanulmányok jelennek meg arról, hogy milyen legyen az ideálisan biodegradábilis műanyag. A fő kutatási irány olyan "biopolimerek" előállítása, amelytől a természetben (tipikusan a komposztált termőföldben) teljes és gyors elemésztődést várhatunk el. Ezek jórészt a természet három fő szerkezetépítő polimertípusának láncépítési alapelvét vagy még gyakrabban alapanyagát használják fel. Ez a három polimertípus

• a cellulóz (és rokona, a keményítő),
• a fehérjék (proteinek) és
• a politejsavak (polilaktidok).

A nagy hírverés közepette feltalált új, "zöld", tehát teljesen környezetbarát polimerek hamar alkalmazást találnak a leglátványosabb feladatkörben, a csomagolástechnikában, amely valóban az egyik legnagyobb szemétforrásunk. Ezek a vízben oldódó csomagolóanyagok, sőt "ehető műanyagok" jelentős részben csak kivitelezésükben újak, valójában évezredes találmányok. Ehető csomagolófóliát minden jobb háziasszony gyárthat, ha tudja a rétestészta összeállításának, pihentetésének, nyújtásának technológiáját (ehhez hasonló a keményítő-, cellulóz- és sikérfehérje-tartalmú, lágyított polimerfólia képlékeny alakítása és hőkezelése). Kazeintartalmú ragasztókat már a fáraók asztalosmesterei is használtak. Hasonló természetes polimerek térhálósított (tehát évszázadokra stabilizált) változatainak titkát rejti a fa lakkozásának technikája vagy egy reneszánsz festőóriás remekműve is (16-18. ábra).

Mai alakadási technikáink lehetővé teszik, hogy hasonló, többségében természetes alapanyagokból nemcsak fóliát, bevonó filmet, hanem akár emészthető evőeszközöket is gyártsunk. A biodegradábilis polimerek egyik leggyakoribb komponense a háztartási keményítő. Ez a természetes polimer a cellulóz rokona, a cukormolekula polimerje. Lágyított állapotában képlékenyen alakítható. Lehet társítani polietilénnel polivinil-alkohollal és más szintetikus polimerekkel is.

A modern gyógyszeripar már régóta hasonló anyagokból gyártja a gyógyszerkapszulákat, amelyekkel még azt is szabályozni lehet, hogy a hatóanyag az emésztőcsatorna mely szakaszában váljon hozzáférhetővé (19. ábra).

E biodegradábilis polimerekkel mindössze az a baj, hogy szilárdságuk és vízállóságuk meglehetősen korlátozott. Ezek a polimerek tehát kevéssé segítik a mai műanyag-technológiák legizgalmasabb alkalmazásait a számítástechnikában, a távközlésben, a közlekedésben vagy a közműhálózat fejlesztésében. Ott bizony nagyon erősen igénybevett, nagy szilárdságú és igen stabil, tehát tulajdonságaikban állandó és reprodukálható mérnöki, szerkezeti anyagokra van szükség. Ezzel együtt fel kell készülnünk arra a társadalmi elvárásra, hogy évtizedes vagy évszázados szolgálatuk végén ezek a mesterséges anyagok is visszatérjenek az ökoszféra örök körforgásába.

VII. Környezetbarát műszaki anyagok

Az alapkérdés tehát még mindig nyitott: kibékíthető-e ez az ellentét a modern technika és az ökológiai egyensúly parancsa között? Lehet-e "zöld" a műszaki célú műanyag? Mérnöki felelősségtudatunk és emberi erkölcsi érzékünk is azt mondatja velünk, hogy még a 21. században igenis annak, vagyis környezetbarátnak kell lennie. Ehhez szeretnénk néhány érvet és technikai megoldást is bemutatni (20. ábra).

Már hangsúlyoztuk legerősebb érvünket, amikor a polimertechnikát az anyagtudomány egységes fejezeteként mutattuk be, és felhívtuk rá a figyelmet, hogy a szintetikus polimerek termelését mintegy három nagyságrenddel (tehát ezerszeresen) haladja meg az évenként megújuló természetes polimer- (biomassza-) hozam, amelynek évezredes felhasználási tapasztalatai termékenyítették meg a 20. század műanyag-technológiáit. A világ tehát évenként 100 milliárd tonnánál is több természetes polimert "gyárt", nemcsak a dúsan növő esőerdőkben, hanem minden gabonaföldön, minden virágos réten, a teljes élővilágban, a tenger algáitól a bálnákig, az ausztráliai birkalegelőkön és az argentin pampákon egyaránt.

VIII. A cellulóz alapú polimer kompozitok várható reneszánsza

A poliszacharidok adják a biomassza talán legjobban hasznosítható, legbőségesebb polimerforrását. Ebből áll a biomassza mintegy 75 %-a. Korábban utaltunk rá, hogy magát a makromolekuláris kémiát és a polimer szerkezeti anyag fogalmát a későbbi Nobel-díjas H. Staudinger azzal vezette be, hogy kimutatta: a hibátlan cellulóz hosszú fonalmolekulája nagyobb fajlagos szilárdságot képvisel, mint a legjobb acélhuzal.

A cellulóz módosításával, oldásával, majd kicsapásával készültek az első műselymek, a cellofán, a celluloidfilm, a viszkózszivacs és a szemüvegkeret, és még sok más korai szintetikus anyag. S bár ezek a kémiai átalakítások mai szemmel túlságosan költségesek és főleg környezetszennyezők, s így korszerűtlenek, a legnagyobb cellulózbázisú ipar óriási méretűvé vált. A világ manapság közel kétszer annyi papírt gyárt, mint műanyagot (évi 350 millió tonnát), s ez az irdatlan papírfogyasztás nem látszik csökkenni sem a számítógépek terjedésével, sem az elektronikus levelezéssel, sem az íratlan média előrenyomulásával.

A cellulóz alapú szerkezeti anyagok legősibb s máig is leginkább emberközeli példája maga a fa. Nemcsak a bölcsőtől a koporsóig kísérő bútoraink, eszközeink forrása ez az anyag, hanem egész világrészek legelterjedtebb építőanyaga is. A fa abban is példaértékű a polimer anyagtudomány és technológia szempontjából, hogy maga is többszörösen összetett kompozit. A makromolekulás szerkezetű cellulóz (21. ábra), amelynek a cukormolekula a monomerje, millió Dalton nagyságrendű molekulatömegével és szabályos kristályszerkezetével nagyszilárdságú szálerősítésként szolgál. A befoglaló mátrix ágyazat, a lignin maga is óriásmolekulás térhálós rendszer, s rendkívül szívós kapcsolattal kötődik a cellulózrostokhoz. Ezért olyan nehézkes és környezetszennyező technológia a lignin eltávolítása a cellulóz mellől a papírgyártásban. A polimertechnika mai szóhasználata szerint a fa tipikusan egymásba hatoló térhálós szerkezetű (IPN - Interpenetrating Polymer Network) polimer kompozit. Mint szerkezeti, mérnöki anyaggal, a fával csak az a gond, hogy tulajdonságainak és főleg méretének stabilizálásához védelemre, bevonásra, átitatásra van szükség. Sajnos még ilyen védelemmel is a legtöbb fa kiszámíthatatlan anizotrópiát, irányfüggést mutat nemcsak a fő anatómiai irányok mentén, hanem a csavarodások, csomók, göcsörtök miatt is. Ez az anizotrópia ráadásul a nedvességtartalom változásával szinte állandó mozgásban tartja a roncsolatlan fát, éspedig jelentős késleltetésekkel, hiszterézissel.

A megoldásnak a fa felaprítása és újraegyesítése, az agglomerált fakompozitok kifejlesztése tűnt a 20. század közepén. A farostlemez és forgácslap úgy hatvan évvel ezelőtt tipikusan pótanyagként jelent meg, s ehhez a minősítéshez a szinte becsmérlő "pozdorja" kifejezés is hozzájárult. Ráadásul ez volt az olcsó, túlegyszerűsített módon tervezett és szerelt típusbútorok korszaka is a világ nagyobbik hányadában, mely szinte a feledés homályába merített egész iparágakat, tisztes mesterségeket. Figyelemre méltó azonban, ahogyan az alapanyaggyártás jelentős minőségi javulása megnövelte a késztermékek változatosságát, rangját, értékét. Amióta a forgácslap nagyszilárdságú, csavarozható és csapolható (és nem rossz illatú) szerkezeti anyag, azóta büszkék vagyunk legújabb irodabútorainkra, változatos színekben készülő, karcálló és hőálló gyönyörű konyhabútorainkra, portáljainkra, sokoldalú agglomerált fa építőanyagainkra. Ez a természetes polimerből - kevés szintetikus polimer kötőanyag hozzáadásával - készülő polimer kompozit teljesen új alapokra helyezte több iparág, a bútoripar, az épületasztalos-ipar, sőt Amerikában az építőipar technológiáit is.

Hasonló fejlesztésekre van szükség (és kilátás is) a jelenlegi műanyagiparban, ha a kőolaj alapú hányadot jelentősen csökkenteni akarjuk, és a megújuló nyersanyagbázisra szeretnénk áthelyezni a hangsúlyt.

A polimertechnika kompozit alapelve jó lehetőséget nyújt erre a fejlesztésre. Az autóiparban az elmúlt évtizedben teljesen elfogadottá vált az üvegszálas poliamid kompozit alapanyag, amelyből a motorblokk beszívócsonk feltétje készül - egyszerű fröccsöntéssel! A BMW-től és a Chryslertől kezdve egészen a legújabb Toyota típusokig a felhasznált kompozit alapelvét tekintve nem különbözik a farostlemeztől. A nagy különbség az anyagtechnológiában van. Amíg a természetes cellulóz alapú rostokkal erősített agglomerált lemez lassú sajtolással készül, addig a mai fröccstechnológiákban a deformáció-sebesség a szűk beömlőcsatornában meghaladhatja az 1 000 000 %-ot másodpercenként. Az extrúzió is elérheti a 10⁴  %/s deformáció-sebességet. Ezt kell megcéloznunk az új, természetes polimer rostokkal erősített, lehető legkevesebb szintetikus polimer kötőanyagot tartalmazó kompozitjainkkal. Vagyis a korábbi, papírtechnológiából kiinduló, nehézkes merítés és sajtolás helyett fröccsönthető, extrudálható farost és egyéb polimer kompozitokat kell kidolgoznunk. Minderre a cellulóz és a lignin makromolekuláris szerkezete jó esélyt ad. Néhány ilyen fejlesztésről szeretnénk beszámolni a következőkben.

Érdekes, hogy az ilyen környezetbarát polimerek és kompozitok jelentős alkalmazásra találtak az autóiparban. Az autógyártásban az elmúlt két évtizedében a szintetikus polimerek, a műanyagok tömeges előretörése volt megfigyelhető. Szilárdságtani és technológiai szempontokból ma már a gépkocsi-felépítménynek alig van olyan darabja, ami ne készülhetne polimerből vagy polimer kompozitból. Egy átlagos európai személygépkocsiban 1990-2000 között 14 %-ról 18 %-ra nőtt a műanyag szerkezeti anyagok felhasználása a gumiabroncson felül.

Ez a trend valószínűleg folytatódik. A karosszériát tekintve ma már alig van olyan autóalkatrész, amely a polimer anyagtudomány és a technológia fejlődésének köszönhetően a következő 10 évben ne készülhetne műanyagból vagy kompozitból. Az acélnál 5-10-szer kisebb sűrűségű polimerek és kompozitjaik alkalmazása jelentős tömegcsökkenést és ezáltal üzemanyag-megtakarítást jelent, aminek komoly környezetvédelmi kihatásai is vannak. Ennek köszönhetően a kis sűrűségű, növekvő szilárdságú műanyagok egyre nagyobb hányadban találhatók meg az új autómodellekben teherviselő, funkcionális elemek anyagaként is. Egy átlagos autóban ma már több mint 150 kg alkatrész készül polimerből. Az Európai Unió 2000-ben célul tűzte ki 2005-től olyan középkategóriás autók nagy sorozatú gyártását, amelyek üzemanyag-fogyasztása 100 kilométeren 5 liter alatt van. A német szakhatóság számítása szerint 1 kg tömegcsökkentés évi 0,5 euro értékű üzemanyag-megtakarítást jelent gépjárművenként. Ezt az értéket az előirányzott 300-400 kg-os tömegcsökkentésre vonatkoztatva (amely a karosszéria anyagának megváltozását is jelenti) a világ összes kőolaj-felhasználása 10 %-kal csökkenhetne. Más számítások szerint, egy átlagos gépkocsi 150 000 km-es futásteljesítményét véve alapul, a széndioxid-kibocsátás 3700 kg-mal, a szénmonoxid-kibocsátás pedig 30 kg-mal csökkenhetne gépjárművenként.
 
Példaként itt szeretnénk bemutatni farosttal erősített polipropilén kompozitunk tulajdonságait, amihez hasonló anyag manapság szinte minden személygépkocsiban megtalálható (22. ábra).

 

Egy mai modern személygépkocsiban természetes polimer rosttal erősített, környezetbarát polimer kompozit alkatrészek egész sorát találjuk (23. ábra).

A bevált társított szerkezeti anyagok, mint például a vasbeton vagy az acélradiál gumiabroncs mérnöki tapasztalatai alapján kifejlesztett, új típusú, természetes szálerősítésű polimer kompozitokból tehát a modern polimertechnika eljárásaival (extrúzió, fröccsöntés, egyéb meleg alakítás) célirányosan tervezhető, tartós és végső soron környezetbarát termékek készíthetők autóipari alkalmazások céljára.

Az egyik út tehát a kőolaj megtakarítására, hogy többet hasznosítunk a megújuló polimerekből, például úgy, hogy társítjuk a természetes, cellulóz alapú polimer rostokat és a mesterséges polimereket. A farosttal társított polipropilén ma már nemcsak a gépkocsigyártás tipikus belső burkolóanyaga. Akár 80 % farosttartalmú poliolefineket is extrudálni lehet különféle profilok formájában (24. ábra). Ezekkel az új eljárásokkal extrudálhatóvá, fröccsönthetővé lehet tenni a fűrészport, az egyéb mezőgazdasági melléktermékeket. A történet hasonló lehet a forgácslapok karrierjéhez, amelyekkel szemben korábban sok fenntartással élt a bútoripar, ma pedig magas minőségű, nélkülözhetetlen anyagok. A természetes polimerek és mesterséges polimerek társítása jó lehetőséget nyújt többszörösen összetett, hibrid kompozitok létrehozására is.

A természetes polimer rostok alapjában nem rontják a hőre lágyuló polimerek újrafeldolgozásának (recycling) esélyét. Ezen túlmenően a természetes adalékokat is tartalmazó, összetett polimerrendszerek esélye a biológiai degradációra sokkal nagyobb, hiszen jelentős hányaduk (akár háromnegyed részük) lebomlik a természetben. Ezen az úton juthatunk el a műanyagszerűen feldolgozható természetes anyagokhoz, a sajtolható bazaltrostból, az extrudálható lenszálból, a fröccsönthető fából készülő, képlékenyen alakítható és a környezettel összhangban fejleszthető szerkezeti anyagok családjához. Ebben nemcsak a további poliszacharidok, (kitinek, kitozánok - pl. a halfeldolgozó ipar melléktermékei), hanem a poliaminosavak (protein- és kazein-hulladékok - pl. bőrhulladék) és a poliaktidok (pl. a baktériumok által termelt polimerek) is jelentős szerepet kaphatnak.

Természetesen mindent meg kell tennünk az újrahasznosítás érdekében. A szintetikus polimerfelhasználás 85-90 %-a hőre lágyuló műanyag, ezek nagy hányadát újraalakíthatjuk. A térhálós, tehát hővel többé meg nem ömleszthető termékekkel más a helyzet. A polimerek már említett magas fűtőértéke miatt ezek energetikailag hasznosíthatók akár az iparban, akár hulladékégető erőművekben.

IX. Műanyagok a kőolaj utáni korban?

Hogy miből fogunk gyártani számítógépet, mobiltelefont, autóülést és CD-t a kőolaj fogytán? Az bizonyos, hogy ezekre a szerkezeti anyagokra vagy ezek utódaira már csak korrózióállóságuk és szívósságuk miatt is szükség lesz. Egy lehetséges válasz ott rejlik Oláh György Nobel-díjas tudós munkáiban: a kőolajhiány kikényszerítheti a metil-alkoholon alapuló gazdaságot. A polimerkémia már egyszer bebizonyította, hogy a biomassza fermentációjával készült etanolból etilént és akármilyen vinilszármazékot is gyárthatunk. Ez történt, amikor a II. világháború alatt a természetes gumi importjától elszigetelt két nagyhatalom, a németek és az oroszok egymástól függetlenül megvalósította a szintetikus gumigyártást. Ezt ma is megtehetnénk. Az akadály csak az, hogy a kőolaj alapú polimerkémia még mindig jóval olcsóbb, mivel alapanyag- és energiaigénye, sőt környezetterhelése is kisebb, mint a biomassza alapú alternatíváé.

Egyelőre nem hozhatjuk vissza a cellofánfóliát a polipropilén film helyett, s a viszkóz szivacsnak nincs esélye a poliuretán habbal szemben. A cellulóz kémiai átalakítása ugyanis, mint a papírgyártás is, óriási vízigénnyel és jelentős vízszennyezéssel jár. Az bizonyos, hogy jobban tesszük, ha kutatásainkban és a jövő generáció oktatásában is felkészülünk a polimertechnika következő, kőolaj utáni szakaszára, mert ahogyan természetes polimerek (fehérjék) nélkül elképzelhetetlen az élet, úgy ma már mesterséges polimerek nélkül is elképzelhetetlen modern életünk, mai és holnapi civilizációnk. Az átmeneti időszakra pedig aligha adódik más megoldás, mint környezettudatos önmérséklet a fenntartható fejlődés érdekében.

A mérnök felelőssége az, hogy a profitérdekelt gyártó és a marketing által befolyásolt fogyasztó között egyfajta élő társadalmi lelkiismeretet képviseljen. Erre az jogosítja fel, hogy mindkét oldal eszközeire, elágazásaira és kapcsolataira rálát, és ismeri a teljes technológiai életciklust a műszaki és gazdasági részadatokkal együtt. A mérnök mérheti fel legjobban az összes technikai tényező visszahatását ökoszisztémánkra.

Ideális megoldásokat maga a természet sem kínál az élet minden konfliktusára. Ahogyan az egymásnak sokszor ellentmondó műszaki követelmények összehangolását, úgy a fenntartható fejlődés kompromisszumkényszereinek harmonizációját is érdemes a mérnökre bízni, akinek már ma készülnie kell a kőolaj utáni kor technológiáira.

Összefoglalás

Láttuk, hogy a polimer nem természetidegen szerkezeti anyag. A fa, a bőr, a természetes gumi, a Föld biomasszahozama lényegében mind polimer. A mesterséges polimerek egy része a természetes polimerekéhez hasonló kémiai kapcsolással (pl. éter-, észter- és amid-kötéssel) köti össze a láncszemeket a makromolekulában. Ezek az oxigént, illetve nitrogént tartalmazó kötések elvileg nem tekinthetők a természet által felbonthatatlannak, így a mesterséges poliéterek (pl. epoxigyanta), a telített és telítetlen poliészterek (PET, UP) és a poliamidok (PA, nylon) természetben való lebonthatósága hasonló lehet a cellulóz, a kazein vagy a proteinek degradációjához. Kevéssé igényes polimeranyagokat poliéter-, poliészter- és poliamid-szerkezettel már ma is előállíthatunk biomasszából például biodegradábilis csomagolóanyag céljára, ezek azonban (ma még) műszaki célokra nem alkalmazhatók.

A mesterséges polimerek nagyobb hányada (pl. a PE, PP, PVC, PS) kőolaj alapanyagból kiinduló polimerizációs láncreakcióban készül. Ezekhez hasonló polimert a természet nem hoz létre. Biokompatibilitásukat természetes polimerekkel való társításuk teszi esélyessé. Ezeknek a hőre lágyuló, részben természetes, részben mesterséges társított polimereknek (kompozitoknak) a felhasználására és újrahasznosítására műszaki anyagként is van esély. Ezt az esélyt növelhetjük, ha a kompozit technikával szálas erősítést viszünk az újrahasznosított anyagban. Ez az erősítőszál lehet nagy mennyiségű természetes cellulóz alapú rost is, amivel tulajdonképpen a fát (sőt akár a fahulladékot) tesszük a műanyagokhoz hasonlóan képlékenyen alakíthatóvá, extrudálhatóvá, fröccsönthetővé. Ide sorolhatjuk az egyéb növényi vagy állati rostokkal vagy akár természetes szilikátbázisú erősítőanyaggal (pl. bazaltszállal) készült kompozitokat is.

A mesterséges polimerek alapanyaga manapság még valóban a kőolaj. A műanyagipar viszont a kőolajnak jóval kevesebb mint egy tizedét fogyasztja el, és ezzel - csak a járművek súlycsökkentése révén - több kőolajat takarít meg mint saját alapanyaga. Nincs elvi akadálya annak, hogy a kőolajkészletek fogytán a maihoz hasonló műanyagkínálatot, a mainál környezetkímélőbb polimertípusokat állítsunk elő a természetes polimerek alapján, vagy egy ún. metanolbázisú (esetleg etanolbázisú) vegyipar segítségével. Ezt a fordulatot az egekbe szökő kőolajárak kényszeríthetik ki. E biomassza alapú gazdaságnak sem lebecsülendő azonban a környezeti kockázata (vízigénye, egyéb szennyezései). A polimer szerkezeti anyagok felhasználását és újrahasznosítását addig is környezettudatos felelősség és a jövőre készülő műszaki fejlesztés kell, hogy jellemezze.