Polska Akademia Nauk. Lekkie tworzywa wytrzymalsze niż stal

Sposoby wytwarzania tworzyw sztucznych czyli syntetycznych materiałów polimerowych wytrzymalszych od stali, a zarazem prawie 8 razy od niej lżejszych, opracowano w Zakładzie Fizyki Polimerów Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych Polskiej Akademii Nauk w Łodzi.

Było to możliwe dzięki wykorzystaniu metod z zakresu nanotechnologii do uporządkowania makrocząsteczek i zastosowaniu wzmocnień w postaci nanowłókien i nanopłytek - a więc cząsteczek o wymiarach wyrażanych w nanometrach - milionowych częściach milimetra. Na czym polega to uporządkowanie makrocząsteczek, a więc bardzo długich cząsteczek tworzących polimery?

Jak wyjaśnia prof. Andrzej Gałęski, kierownik Zakładu Fizyki Polimerów CBMiM PAN, jednym z czterech kluczowych odkryć, które po 1950 roku uzupełniły podstawy nauki o polimerach, było odkrycie splątań makrocząsteczek. Francuski uczony Pierre-Gilles de Gennes - laureat Nagrody Nobla z 1991 r. wykazał, że makrocząsteczki polimeru w stanie stopionym są splątane niczym spagetti po gotowaniu. Jedną taką nitkę można bez trudu wyciągnąć z tej plątaniny, ale kilku jednocześnie wyciągnąć już nie można. Jeżeli spagetti ugotujemy w paczce, to się nie splącze, jeżeli je pomieszamy, wystąpią splątania.

- My jednak znajdujemy takie sposoby, żeby makrocząsteczki nie splątywały się - mówi prof. Gałęski. - Potrafimy uzyskać ich dobrą orientację, czyli ułożyć je równolegle do siebie.

Materiał o takim uporządkowaniu jest bardzo wytrzymały. Uzyskuje się go dzięki utworzeniu z zakupionego granulatu najpierw grubego pręta, a następnie sprasowaniu go w specjalnie skonstruowanej maszynie. Można w niej w sposób ciągły wytwarzać dowolnej długości cienkie, lekkie i superwy-trzymałe pręty z materiałów polimerowych.

Wyprodukowano np. kilkaset metrów polietylenu o wytrzymałości stali, ale wadze ośmiokrotnie mniejszej, który miał być rdzeniem lin dźwigowych, wzmacniając te liny i przedłużając ich trwałość. Niestety, firma DRUMET z Włocławka, która zamówiła to tworzywo, została sprzedana, a obecny właściciel nie jest już zainteresowany łódzkim wynalazkiem.

Innym sposobem uzyskania materiałów o bardzo wysokiej wytrzymałości, wynalezionym w zespole prof. Gałęskiego jest tworzenie nanokompozytów, w których polimer jest wzmacniany nanowłóknami innego polimeru. By otrzymać taki nanokompozyt, polimer zsyntezowany w specjalnych warunkach (takich aby makrocząsteczki nie splątały się) rozprowadza się w innym polimerze, przy użyciu mieszalnika lub wytłaczarki takiej, jakie powszechnie używane są w zakładach przetwórstwa chemicznego tworzyw sztucznych. Ziarenka proszku zostają poddane tzw. odkształceniom ścinającym i przekształcają się w długie lecz cieniutkie włókienka o wymiarach nanometrowych. Włókienka te wzmacniają tworzywo i tak właśnie powstaje nanokompozyt o dużej wytrzymałości.
Takie nanokompozyty otrzymuje się na bazie polietylenu i polipropylenu. Okazuje się, że można z nich uzyskać znakomite pianki konstrukcyjne - niezwykle lekkie, bardzo wytrzymałe i odporne na zniszczenia. Pianki konstrukcyjne z materiałów kompozytowych stosowane są do budowy m.in. łodzi i jachtów oraz samolotów. Np. dreamliner w połowie jest zbudowany z kompozytów.

Jak twierdzi prof. Gałęski, opracowane w jego zespole pianki nanokompozytowe mogłyby zastąpić dotychczas stosowane materiały w przemyśle lotniczym. Zaczęło się od współpracy z Duńczykami w celu opracowania superwy-trzymałej pianki do budowy elektrowni wiatrowych. Śmigła takiej elektrowni muszą być bardzo lekkie i niezwykle sztywne. Obecnie do ich budowy używa się drewna balsa - lżejszego od korka i bardzo wytrzymałego. Drewno to jednak szybko drożeje z powodu szybkiego rozwoju energetyki wiatrowej. Jest szansa, że nanokompozytowa pianka opracowana przez łódzkich naukowców stanie się realną alternatywną dla tego drewna.

Pianka taka może też być zastosowana także w motoryzacji; można z niej wykonać wiele części wyposażenia wnętrza samochodu. Łódzcy naukowcy, wspólnie z firmą McLaren Racing i innymi partnerami, przygotowali projekt przewidujący zastosowanie pianki nanokompozytowej w samochodach. Projekt ten zgłosili do konkursu, ubiegając się o sfinansowanie go z funduszy europejskich. Choć oceniono go pozytywnie, jednak nie uzyskał finansowania z powodu ograniczonych środków. Prof. Gałęski zapowiada ponowienie złożenia wniosku w przyszłym roku.

W Zakładzie Fizyki Polimerów CBMiM PAN otrzymano ponadto materiał polimerowy w postaci taśmy przypominającej taśmę opakowaniową, który jest trzykrotnie wytrzymalszy od stali, przy tym samym przekroju. Można z niego zrobić plecionkę, zalać ją polimerem o niższej temperaturze topnienia i otrzymać bardzo użyteczne tworzywo. Chociaż tego typu materiały są już na świecie znane i produkowane, to jednak ten opracowany w zespole prof. Gałęskiego jest wykonany z polilaktydu, który jest biodegradowalny. Z takiego materiału można wytworzyć m.in. lekkie i wytrzymałe nesesery podróżne, czy części samochodowe, takie jak klapy silników, drzwi, deski podwoziowe itp. Takie tworzywa znakomicie mogą zastąpić tradycyjną blachę stalową, od której są lżejsze, wytrzymalsze i łatwiej rozkładalne po wykorzystaniu.

W kompostownikach przemysłowych materiały tego typu rozkładają się w ciągu dwóch, trzech miesięcy.

Wymienione tu osiągnięcia mają - jak mówią naukowcy - znaczny potencjał wdrożeniowy, co oznacza, że istnieją szanse na wykorzystanie ich w praktyce. Jeśli tak się stanie, nie będą to pierwsze przemysłowe wdrożenia wyników badań przeprowadzonych w Zakładzie Fizyki Polimerów. Np. wspólnie z Orlenem zakład ten zmodyfikował linię technologiczną do produkcji polipropylenu. Linia ta przez kilka lat produkowała po 9 do 10 tysięcy ton rocznie polipropylenu wtryskowego do wyrobu pojemników, wiader, misek, krzeseł itp., ale też do produkcji taśm i worków.
Prace zakładu istotnie przyczyniły się do usprawnienia produkcji tarnoformu - bardzo wytrzymałego, lekkiego materiału polimerowego wytwarzanego przez tarnowskie "Azoty". Zakład pomagał w uruchomieniu produkcji, stosowanych przez SAABA, Volvo i Volksvagena, włóknin do wygłuszeń samochodowych z płatków otrzymanych ze zużytych butelek PET, a także dwóch linii do produkcji taśm opakowaniowych z tych samych płatków.

Zakład jest też związany stałą umową z firmą Corning Communications Cables ze Strykowa, dla której prowadzi kontrolę surowców i wyrobów, a także rozwiązuje bieżące problemy. W oparciu o podobne umowy współpracuje z kilkoma innymi firmami w Polsce. Trwają prace, które dają duże szanse na to, że już wkrótce pianki konstrukcyjne z nanokompozytów będą zastosowane do produkcji w firmach w Bawarii.

Prof. Gałęski widzi też duże szanse na owocną współpracę z amerykańskim koncernem oponiarskim Goodyear i chemicznym DuPont, którego przedstawiciele przybędą we wrześniu do Łodzi na rozmowy w Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN.

Wiedza, jaką dysponuje 15-osobowy zespół prof. Gałęskiego, jest ogromnym kapitałem, który może zaowocować kolejnymi intratnymi umowami z przemysłem. Warto bowiem zdać sobie sprawę, że światowa produkcja tworzyw sztucznych wynosi ok. 300 mln metrów sześciennych rocznie, podczas gdy produkcja stali - niecałe 200 mln metrów sześciennych. Przy takiej skali produkcji nawet drobne usprawnienia opracowane w laboratoriach naukowych mogą przynieść ogromne korzyści finansowe.