Professori Muovilla on kaksi sanaa sinulle: Hiilikuitu.
Uusia autoja suunnitellessaan ja rakentaessaan autonvalmistajat käyttävät yhä useammin hiilikuitua – samaa materiaalia, jota käytetään Boeingin huipputeknologisissa 787 Dreamliner -lentokoneissa. Sen sanotaan olevan jopa 10 kertaa lujempaa kuin teräksen, mutta neljä kertaa kevyempää.
Autojen ja ilmailu- ja avaruusteollisuuden lisäksi hiilikuitua käytetään muun muassa urheiluvälineissä, tuulivoimaloissa ja sotilassovelluksissa. Sen käytön odotetaan kaksinkertaistuvan tai jopa kolminkertaistuvan vuoteen 2020 mennessä.
Mitä hiilikuitu sitten on? Ja miksi Professor Plastics välittää siitä? Eihän se ole muovia?
On totta, että hiilikuitu ei itsessään ole muovia. Se on uskomattoman pienen halkaisijan kuitu (tai filamentti), joka on tehty enimmäkseen hiiliatomeista. Ja tarkoitan todellakin pientä – yleensä halkaisijaltaan 5-10 mikronia (mikroni on metrin miljoonasosa eli noin 0,000039 tuumaa). Nämä kuidut niputetaan yleensä langaksi (tai rohtimeksi), joka usein kudotaan kankaaksi.
Saatat ehkä muistaa kemian tunnilta, että timantit – yksi kovimmista luonnollisista aineista – koostuvat hiiliatomeista, jotka on järjestetty tiettyyn ristikkoon. Ei siis ole yllättävää, että hiilikuitu on jäykkää, vahvaa ja kevyttä sekä kestää kemikaaleja ja korkeita lämpötiloja. Kuulostaa ihanteelliselta tavaroiden valmistukseen.
No, itsessään hiilikuitu ei useinkaan ole ihanteellinen. Se tyypillisesti yhdistetään muihin materiaaleihin, jotta saadaan ominaisuudet, joita tarvitaan kilpa-auton alustassa tai lentokoneen rungossa tai proteesissa tai tennismailassa tai onkivavassa tai polkupyörän rungossa.
Tyypillisesti yhdistettynä mihin muihin materiaaleihin, kysyt? Muoveihin.
Käsitteellä ”hiilikuitu”, kun sitä käytetään maallikkokielellä (kuten uutisissa), tarkoitetaan useimmiten ”hiilikuituvahvisteisia muoveja” eli komposiittia, joka koostuu hiilikuiduista PLUS jonkinlaisesta muovista. Tai muovien yhdistelmästä. Ja ehkä myös muista materiaaleista. Koska ”hiilikuituvahvisteiset muovit” on pitkä sana, monet lyhentävät sen yksinkertaisesti muotoon: ”hiilikuitu” tai ”hiilikuitukomposiitti”. Ja ”muovi” unohtuu. (Niin surullista.)
Hiilikuidun ja muovin yhdistäminen on vähän kuin lisäisi betoniin raudoitustankoja (”reinforcing bar”), jolloin syntyy ”raudoitettu betoni”. Hiilikuidun ja muovien yhdistelmällä saadaan aikaan materiaaleja, joilla on supermiesominaisuuksia, kuten suurempi lujuus ja kestävyys.
Hiilikuidun ja muovien yhdistelmällä saadaan aikaan materiaaleja, joilla on supermiesominaisuuksia, kuten suurempi lujuus ja kestävyys.
Kuten edellä mainittiin, uusissa autoissamme hiilikuituvahvisteisten muovien käyttö todennäköisesti lisääntyy nopeasti. (OK, sanotaan sitä vain CFRP:ksi.) Tähän mennessä CFRP-autokomponentteja – alustoja, spoilereita, kattoja, konepeltejä ja monia sisäisiä ja ulkoisia osia – on suurelta osin, mutta ei yksinomaan, käytetty korkeiden valmistuskustannusten vuoksi korkeamman hintaluokan luksus- tai suorituskykyisissä autoissa. Nykyään monet autonvalmistajat (esim. Ford, Mercedes, General Motors, BMW) panostavat voimakkaasti CFK-sovelluksiin nyt, kun kustannukset laskevat ja uudet teknologiat mahdollistavat näiden osien nopeamman valmistuksen.
Miksi meidän kuljettajien (tai matkustajien) pitäisi välittää? Koska CFRP:n lisääntynyt käyttö voi vähentää ajoneuvon painoa, parantaa polttoainetaloutta ja edistää turvallisuutta.
- Paino/polttoainetaloudellisuus: Kuten edellä todettiin, CFRP on paljon lujempaa kuin teräs mutta kevyempää, joten auton osista voidaan tehdä kevyempiä. Tämä on yksi syy siihen, että Ford on tehnyt yhteistyötä Dow Chemical Companyn kanssa laajentaakseen CFRP:n käyttöä, ja tavoitteena on vähentää auton painoa 750 kiloa vuoteen 2020 mennessä. Jo 10 prosentin vähennys ajoneuvon painossa voi lisätä polttoainetehokkuutta 6-8 prosenttia nykyisten autojen käyttöiän aikana. Se on paljon bensaa.
- Turvallisuus: CFK-autokomponenttien energianvaimennusaste voi olla suurempi kuin teräksen, mikä voi parantaa turvallisuutta törmäystilanteessa. Esimerkiksi kilpa-autot valmistetaan nykyään suurelta osin CFK:sta, mikä on vähentänyt painoa, parantanut suorituskykyä – ja lisännyt turvallisuutta. Kuten muutkin kilparadoille kehitetyt turvallisuuden edistysaskeleet, myös CFK-komponentit ovat nyt matkalla kohti yleiskäyttöä perheautoissa.
CFRP-autokomponenttien lisääntyminen laajentaa muovien jo ennestään laajaa ja kasvavaa käyttöä autoissamme. Tämän päivän uusissa autoissa on jo noin 10 prosenttia muovia painosta, mutta 50 prosenttia tilavuudesta.
Hiilikuidun ja muovien yhdistelmä on valmis laajentamaan tätä suhdetta entisestään – samalla kun se edistää polttoainetehokkuutta ja turvallisuuttamme.
Hiilikuitu. Kuulostaa ihanteelliselta materiaalilta. Kunhan ei unohdeta muovia …