VĚDA A VÝZKUM
použít další námi patentovanou složku, která polymer chemicky upravila a stabilizovala i pro drsné prostředí, “ říká výzkumník. Výzkumníci měli také za úkol dosáhnout rozlo- žení velikosti pórů, které by se jen zanedbatelně odchylovalo od sedmi nanometrů. Kromě toho měla být membrána vysoce propustná. „ Stupeň propustnosti je definován počtem pórů na po- vrchu. Čím menší jsou póry, tím nižší je pro- pustnost. Abychom zvýšili propustnost, museli jsme proto v druhém kroku zvýšit počet pórů při zachování konstantní velikosti pórů, “ vysvětluje Tutus. Obr.: Polymerová membrána bez PFAS je chemicky stabilní, vysoce propustná a má průměr pórů přibližně sedm na- nometrů.
simulace molekulární dynamiky a dalších, vedla k vytvoření nových biomateriálů, které jsou udrži- telné a vysoce funkční. » www.vtt.fi POLYMERNÍ MEMBRÁNY BEZ PFAS PRO ZPRACOVÁNÍ POLOVODIČŮ Chemické látky PFAS (per- a polyfluoroalky- lové látky) se díky své stabilitě a odolnosti vůči vodě a mastnotě používají v celé řadě průmys- lových odvětví. Jsou však velkým rizikem, ne- boť jsou škodlivé pro zdraví lidí, zvířat, ohrožují životní prostředí. Membrány obsahující PFAS se používají například v mnoha procesech výroby polovodičů. Výzkumníci z Fraunhoferova in- stitutu pro aplikovaný výzkum polymerů IAP nyní vyvinuli udržitelnou alternativu v podobě inovativní membrány bez PFAS. Chemicky sta- bilní, vysoce propustná polymerní membrána má průměr pórů přibližně sedm nanometrů a umožňuje filtraci nejmenších částic znečišťují- cích látek. Membránu lze přizpůsobit konkrétním potřebám, což usnadňuje integraci nového pro- cesu do stávajících systémů. Chemikálie PFAS jsou toxické. Trvale kontami- nují vodu a půdu a hromadí se v potravinách, spotřebních výrobcích, u lidí a zvířat. Evropská agentura pro chemické látky (ECHA) proto v únoru 2023 zveřejnila návrh, který by zakázal výrobu, používání a distribuci (včetně dovozu) PFAS v evropském hospodářském prostoru. Polovodičový průmysl považuje hrozbu zákazu PFAS za zásadní problém, protože tyto chemické látky se používají jako membrány a pouzdra ve filtrech a také v procesech, jako je leptání a čiš- tění. Podle řady výrobců neexistuje žádná života- schopná alternativa k dlouhodobě působícím per- a polyfluoroalkylovým chemikáliím a jejich zákaz by znemožnil výrobu většiny polovodi- čových výrobků. Výzkumníci z Fraunhoferova ústavu IAP v Postupimi však nyní úspěšně vyvinu- li membránu pro dodavatele polovodičového prů- myslu, která PFAS neobsahuje. Tato membrána je založena na běžných, specificky stabilizovaných polymerech, které by mohly nahradit membrány s PFAS. Membrána z polymeru polyakrylonitrilu (PAN) nabízí vysokou chemickou a mechanic- kou stabilitu. Má také extrémně malý průměr pórů, okolo sedmi nanometrů. To je nezbytné k oddělení částicových nečistot z výroby a k fil- traci a recyklaci kapalin potřebných pro proces, jako jsou kyseliny a rozpouštědla. Membránu lze přizpůsobit specifickým potřebám, což usnad- ňuje integraci nového procesu do stávajících sys- témů pro výrobu nové generace čipů. Je třeba se vyvarovat nečistot a kontami- nantů „ Výroba čipů zahrnuje řadu procesních kroků, jako je řezání, čištění a planarizace (leštění), aby se struktury nanesly na destičku. Při všech těchto operacích vznikají znečišťující částice, které je třeba v každém procesu oddělit, jinak by narušo- valy vytváření nanometrových struktur, “ říká Dr. Murat Tutus, inženýr Fraunhoferova ústavu IAP a vedoucí oddělení Membrány a funkční filmy. Muratu Tutusovi a jeho týmu se podařilo vytvořit chemicky a mechanicky vysoce stabilní mem- bránu z běžného polymeru, která svými póry o velikosti 7 nanometrů, dokáže odfiltrovat ne- bezpečné nanočástice. Pro srovnání: V lékař- ské technice se pro sterilní filtraci používají filtry s velikostí pórů 220 nanometrů. „ Podařilo se nám
monomery, které jsou navzájem propojeny. Když jsou tyto polymery v rámci pyrolýzy vystaveny tepelnému namáhání, vazby s vysoce kvalitními molekulami se jednoduše přetrhnou. Průmyslová rotační pec Fraunhoferův tým používá k pyrolýze rotační pec. Díky své robustní konstrukci a velikosti může pec zpracovávat i relativně velké objemy suro- viny. Plastový odpad dodaný společností Co- vestro ve formě granulátu se přivádí do pece, která se otáčí a materiál se v ní zahřívá. Prvním produktem procesu je plyn, který přechází do kondenzační jednotky, kde nakonec skončí jako olejovitá kapalina. Partner projektu, společnost Covestro, pak kapalinu zpracuje na různé uži- tečné molekuly. Zajištění toho, aby výsledkem recyklace v ro- tační peci byly produkty s optimálním složením a výtěžností, postavilo tým výzkumníků před řadu překážek, které museli v laboratoři překonat. Štěpení plastů při vysoké teplotě je velmi složitý a citlivý proces. To znamenalo, že velkou výzvou pro tým Fraunhoferova institutu IKTS bylo nasta- vení přesných parametrů pyrolýzního procesu: teploty, doby zahřívání a zdržení, chlazení, tlako- vých podmínek a přidávání pomocných a doplň- kových látek. Aby toho nebylo málo, plasty obsa- hují přídatné látky, jako jsou barviva, zjasňovače, zpomalovače hoření, látky ovlivňující pevnost nebo pružnost, a dokonce i světelné stabilizá- tory. Všechny tyto přísady komplikují zpracování v rotační peci. Obr.: Pyrolýzní rotační pece v měřítku pilotního závodu, s vlastní kondenzační jednotkou v popředí.
Výroba membrán s rozpouštědly vyhovují- cími nařízení REACH Vzhledem k tomu, že velikost pórů a pro- pustnost membrány lze přizpůsobit konkrétním potřebám, bude snadné ji přizpůsobit různým aplikacím v jiných průmyslových odvětvích. Další výhodou je, že přizpůsobení membrány zna- mená, že lze nadále používat stávající systémy a není nutné školení personálu. Dr. Tutus a jeho tým vidí velký potenciál pro svůj vývoj ve farma- ceutickém a chemickém průmyslu, kde se rovněž používají agresivní rozpouštědla. Samotná výroba membrán využívá rozpouštědla v souladu s naří- zením REACH (registrace, hodnocení, povolování a omezování chemických látek) a nízké teploty v celém procesu, což z něj činí celkově udržitel- ný proces. Membrána se vyrábí pomocí procesu NIPS (non-solvent induced phase separation), který výzkumníkům umožňuje také přizpůsobit morfologii nebo tlakovou stabilitu membrány. » www.iap.fraunhofer.de PYROLÝZA PRO VYSOCE KVALITNÍ RECYKLOVANÉ PLASTY Výzkumníci Fraunhoferova institutu pro ke- ramické technologie a systémy (IKTS) vyvinuli společně s chemickou společností Covestro Deutschland AG metodu chemické recyklace polykarbonátů pomocí katalytické pyrolýzy. Při pyrolýze se látky zahřívají v prostředí bez moleku- lárního kyslíku. V důsledku toho se látky rozklá- dají, takže složky původně použité k výrobě plastu mohou být znovu získány. Jörg Kleeberg, vědecký pracovník Fraunhofe- rova ústavu IKTS ve Freibergu, a jeho tým tuto metodu zdokonalili v rámci projektu PC2Chem. „ Naším cílem bylo recyklovat plasty obsahující polykarbonát tak, aby bylo možné vysoce kvalit- ní molekuly regenerovat a vrátit je do průmyslo- vého výrobního cyklu opět v roli surovin, “ vysvět- luje Kleeberg, odborník na technologie uhlíko- vého cyklu. K tomu vědci využili specifickou strukturu poly- karbonátů. Polykarbonáty se skládají z polymerů, což je kombinace molekulárních skupin zvaných
„ Pokud se produkty reakce způsobené pyro- lýzou v rotační peci ochlazují příliš pomalu, che- mické procesy se nezastaví, takže rozštěpené molekuly vytvoří nové vazby. Jediným způsobem, jak dosáhnout požadovaného vysokého výtěžku cílových produktů, je správné nastavení všech parametrů ve vzájemné souhře. Proto jsme pro- vedli rozsáhlé testování a postupně proces opti- malizovali, “ vysvětluje Jörg Kleeberg. Odborníci z k tomu mohou využít své dlouho- leté zkušenosti v oblasti vysokoteplotní konverze a procesního inženýrství. Projekt PC2Chem po- stupuje kupředu. Recyklace umožňuje získat zpět až 60 procent původních komponent. Systém se dostal z počáteční fáze laboratorního testování a nyní se testuje v měřítku pilotního závodu. » www.ikts.fraunhofer.de
45
CHEMAGAZÍN • 4 / XXXIV (2024)
Made with FlippingBook - PDF hosting