Přidat na Seznam.cz Přidat na Google News

Hliník, materiál 21. století

Hliník neboli aluminium. Třetí nejhojněji zastoupený prvek v zemské kůře, který průmysloví zpracovatelé separují z horniny bauxitu. Před lety téměř zapovězený materiál, kterého je v poslední době ve stavebním i strojírenském průmyslu znovu hojně využíváno. Pokud uvážíme jeho vlastnosti (korozivzdornost či pevnost), není se čemu divit.

Nízká hmotnost

Stříbrolesklý hliník, ač tuhého skupenství, je poměrně měkký a lehký. A jeho nízká měrná hmotnost přináší ve stavebnictví téměř jen výhody. V první řadě umožňuje jeho snadné obrábění. Usnadňuje také transport hliníku na místo určení i manipulaci s finálními produkty přímo na stavbě bez účasti těžké stavební techniky. Zároveň snižuje zatížení nosné konstrukce a dovoluje usazení skeletu menších rozměrů, což bývá žádoucí zejména v případě výškových objektů (představte si jen, jak hluboké by musely být základy objektu v případě, že by byl skelet z železobetonu). Hlavním přínosem je tedy úspora financí a energií.

Střešní plášť obchodního domu Debenhams v Suffolku ve Velké Británii je pokryt hliníkovými panely, které jsou na ocelové konstrukci upevněny pomocí zakřivených pozinkovaných prvků s 3D svorkami. Jsou polohovatelné ve třech směrech. (autor: Ron Ellis, Shutterstock)

Pevnost

Pro hliník je typická značná tuhost a výborný poměr pevnosti v tahu ku hmotnosti. Pevnost je nadto možné navýšit legováním. Pro tyto charakteristiky je hliník všeobecně vhodný a užívaný i k výrobě rámů oken a dveří. Uváděné vlastnosti zajišťují stabilitu materiálu i v případě, kdy je produkt tenký a zatěžovaný. To je oceňováno především při obkládání fasád, například neobytných budov. Kromě zajímavého poměru hmotnosti a pevnosti aluminium totiž nabízí i vylepšení fasádní izolace a prodlužuje životnost objektu. Ve výsledku také pozitivně ovlivňuje i energetickou účinnost obvodové konstrukce budovy.

Konstrukce koncertní haly Sage Gateshead v Newcastlu je navrženo tak, aby připomínala zvukovou vlnu. Je tvořena hliníkem, sklem a ocelí. (autor: DavidGraham86, Shutterstock)

Odolnost

Minimální životnost hliníkové konstrukce je přitom 80 let. Během této doby materiál navíc neztrácí nic na svých vlastnostech, ať už v jakýchkoliv klimatických podmínkách (od -80° C do +300° C). Aluminium je využíváno k výrobě stavebních konstrukcí i ve velmi chladných oblastech jako je ruská Sibiř. Tepelně izolovaná hliníková obkladová deska s reflexní fólií chrání prostory před chladnými teplotami až čtyřikrát lépe než 20 cm silné kamenné zdivo.

Z výše uvedeného vyplývá, že je hliník ve stavebnictví velmi užitečným materiálem. Kromě již uvedených oblastí můžeme zmínit rovněž jeho upotřebení ve výrobě klik, nábytku, střešních nástaveb (třeba obchodních center a stadionů). Efektní i funkčně přínosný je zvláště jako střešní krytina, schodiště, topení a klimatizační systémy. V současnosti hrává významnou roli i při opravách historických budov.

Fasáda hotelu Four Seasons v Bahrainu je pokryta hliníkovými panely, které objektu dodávají velmi výraznou podobu. (autor: Philip Lange, Shutterstock)

Legování

A jak je hliník zpracováván? Pro zabezpečení konkrétních mechanických vlastností hliníku (hlavně konstrukčních stavebních prvků) bývá tento materiál stejně jako i jiné kovy legován (přimíchání jiného prvku).

    Dle druhu a množství příměsi jsou slitiny hliníku rozděleny do 8 skupin:

  • 1xxx označuje kvalitní nelegovaný hliník s čistotou 99 % a vyšší. Tento čistý hliník je ceněn pro vynikající odolnost proti korozi či vysokou elektrickou vodivost. Disponuje pevností v tahu 40 – 70 MPa při tažnosti 30 %. Tvářením za studena však může dosáhnout pevnosti i 200 MPa při tažnosti 1 – 2 %. Své místo nachází například mezi elektrickými dráty, potrubními systémy, chemickými nádržemi apod.
  • 2xxx obsahuje hlavní legovací prvek měď, který zvyšuje pevnost materiálu na cca 400 MPa.
  • 3xxx je skupina, kde je hliník spojován s manganem (výroba např. dopravních značek).
  • 4xxx obsahuje křemík, díky kterému mění materiál při anodické oxidaci barvu na tmavě šedou až do antracitové, a proto je často používán v architektuře.
  • 5xxx zahrnuje hořčík, případně mangan, které navyšují korozivzdornost v mořském prostředí. Tyto slitiny nacházejí uplatnění v architektuře, jako dekorační rámy či v lodním stavitelství.
  • 6xxx je slitinou s prvky křemíku a hořčíku, vyznačuje se snadnou opracovatelností, a je proto využívána k výrobě těch nejsložitějších architektonických tvarů.
  • 7xxx přichází na řadu, pokud jsou na materiál vyvíjeny vysoké pevnostní nároky. Hlavní legující prvek je zde zinek. Jedná se o nejpevnější slitinu hliníku, pevnost může dosahovat až 600 MPa. Nevýhodou je však její náchylnost k tzv. mezikrystalické korozi (nerovnoměrné napadení, které snižuje mechanickou pevnost korodujícího materiálu).
  • 8xxx zahrnuje všechny ostatní legující prvky.

Klíčovým materiálem pro výstavbu olympijských zařízení v Sochi v Rusku byl také hliník. (autor: Ewa Studio, Shutterstock)

Zpracování

Po vytvoření požadované slitiny, je materiál buď protlačován přes matrici (extruze), čímž vznikají tvarově přesné hliníkové profily, válcován (tak jsou vyráběny plechy, dráty, desky) a nebo odléván v keramických skořepinách, či do písku. Následuje povrchová úprava a možností je hned několik.

Základní úpravou je pokovení galvanizací. To je proces, který využívá stejnosměrného elektrického proudu k vylučování tenkých povlaků kovů z roztoku jejich solí na elektricky vodivých předmětech. Oblíbená je také anodická oxidace neboli eloxování - elektrolytický proces, který je uplatňován za účelem vytvoření ochranné oxidové vrstvy (proti povětrnostním vlivům, ke zvýšení tvrdosti, mechanické otěruvzdornosti, ke zvýšení korozní odolnosti) na povrchu hliníku. Eloxováním lze upravit veškeré slitiny hliníku vyjma té s vysokým obsahem Cu nebo Zn. Bývá také aplikována dekorativní anodická oxidace, která je ceněna zejména mezi designéry. Na rovnoměrnou oxidovanou vrstvu mohou totiž být aplikována barviva, která jsou zčásti chemicky vázána, zčásti absorbována a plní mimo jiné funkci další ochrany materiálu proti poškození. Na hliníkový materiál lze aplikovat také měděný povlak, který často funguje jako mezivrstva při dalším pokovování. Zvýšené odolnosti proti opotřebení je nejčastěji dosaženo niklováním. Tam, kde je vyžadována zvýšená tvrdost a otěruvzdornost, je povrch upravován chromováním (vysoce lesklým, dekorativním chromem s odolným, trvanlivým povlakem a zrcadlovým efektem). Výrazný katodický účinek má zinkování. Povlakování zinkem dodává hliníku vyšší korozivzdornost. Vynikající tepelnou a elektrickou vodivostí pak disponuje hliník, které je postříbřen. A jednou z nejprogresivnějších výrobních technologií je kataforéza, která zvyšuje korozní odolnost a umožňuje i nános barvy.

Nutno ale dodat, že mechanické vlastnosti materiálu jsou určeny nejen jeho chemickým složením, ale i způsobem výroby a tepelným zpracováním. Hliníkový plech válcovaný za studena je např. pevnější a tvrdší, ale méně tažný než plech stejné slitiny, avšak válcovaný za tepla.

Zábavní park Ferrari v Abu Dhabi disponuje hliníkovou střechou, která je se svou rozlohou 200 000 m2 největší hliníkovou krytinou na světě. (autor: Zhukov Oleg, Shutterstock)

Výroba

Čistého hliníku je dosaženo elektrolýzou taveniny bauxitu a kryolitu při teplotě asi 950 °C. Avšak během zpracování 4 tun bauxitu vzniknou až 3 tuny odpadu, včetně odpadu toxického (i radioaktivního) a velkého množství nebezpečného kalu se silnou alkalitou. Při výrobě hliníku je navíc spotřebováno ohromné množství energie (až 25x více než při výrobě skla) a vody. Vznikají také silně znečišťující emise, např. sloučeniny fluoru. Nevýhodou je také to, že hliník umístěný na skládce se téměř nerozkládá.

Recyklace

Na druhou stranu hliník oplývá mimořádně dlouhou životností a je snadno recyklovatelný. A to i v případě, že jde o odpadní slepence s izolačními hmotami a lepidly. Hliník je v takovém případě oddělen a recyklován separátně. Případné jiné kovy jsou pak od hliníku oddělovány magneticky. Ve finále je tak zajištěna čistota taveného kovu a chráněno životní prostředí před emisemi pocházejícími ze spalování vedlejšího materiálu. Recyklace aluminia navíc obnáší i výhodu v podobě ohromné energetické úspory: znovuroztavení již použitého hliníku spotřebuje jen 5 % celkové energie, která by jinak byla potřeba pro produkci prvovýrobku. Je tak podpořen dnes tolik diskutovaný udržitelný rozvoj.

Pro zajímavost – hliníkový šrot má na trhu poměrně vysokou finanční hodnotu, a je tedy možné, že výnos z něj z velké části pokryje náklady na případnou demolici objektu.

Střecha ohromného atria Riverwalk v hotelovém komplexu poblíž Dallasu v USA je zformována z hliníku. Plocha atria přesahuje 16 000 m2. Hliníková konstrukce napomáhá udržení vhodného vnitřního klimatu. (Autor: Edward Chin, Shutterstock)

Design a praktické vlastnosti v jednom

Hliník je mnohými právem považován za materiál 21. století. Kromě mnoha skvělých funkčních vlastností (odolnost vůči korozi, nízká hmotnost, je netoxický, nemagnetický a nezápalný, recyklovatelný) se jedná o designový nástroj mnoha architektonických studií. Hliník, společně se sklem, mění tradiční města na současné moderní aglomerace. Kancelářské budovy jsou závislé na lehkých hliníkových konstrukcích, aluminium je též z praktických důvodů využíváno k výrobě moderních velkoformátových oken, které vyžadují co nejtenčí, ale maximálně nosné rámy. I přes svou nízkou hmotnost totiž nabízí pevnost, kterou jinak disponují jen těžké kovové materiály. Hliník je nadmíru oblíbený materiál ve stavebním průmyslu a jeho spotřeba prokazuje trvalý růst.

Autor: Bc. Helena Široká
Foto: Shutterstock