Innowacyjne kompozyty polimerowe

Kamil Dydek
Kamil Dydek

Rozmawiamy z inż. Kamilem Dydkiem na temat projektu pt. „Kompozyty polimerowe o podwyższonych właściwościach mechanicznych i elektrycznych na bazie innowacyjnej żywicy termoplastycznej”.

Jak można zdefiniować żywicę termoplastyczną?

Żywica termoplastyczna to rodzaj tworzywa sztucznego, które charakteryzuje się zdolnością do wielokrotnego topnienia i utwardzania w odpowiednich warunkach temperaturowych. W projekcie wykorzystywana jest termoplastyczna żywica Elium®, która jest akrylowym polimerem rozcieńczonym w reaktywnej mieszance monomerów z dodatkami przetwórczymi, które sprawiają, że jest bardzo płynna. Zastosowanie żywicy Elium® pozwala na uzyskanie wysokowydajnych produktów kompozytowych o właściwościach takich jak przy wykorzystaniu konwencjonalnych żywic duroplastycznych, zachowując zalety osnowy termoplastycznej. Elium® jako żywica termoplastyczna może być poddawana również procesowi recyklingowi, co jest jej ogromną zaletą i przewagą biorąc pod uwagę możliwość wykorzystania jej na duże elementy konstrukcyjne, np. łopaty turbin wiatrowych. Dzięki wysokim parametrom wytrzymałościowym, możliwości przeprowadzania procesu polimeryzacji w temperaturze pokojowej, niskiej lepkości, wykorzystywana termoplastyczna żywica ma potencjał do wykorzystania w wielu gałęziach przemysłu, co zostało potwierdzone licznymi listami intencyjnymi.

Na czym w głównej mierze skupia się projekt?

Projekt dotyczy modyfikacji polimerowych kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi (ang. Carbon Fibre Reinforced Polymers, CFRPs) Rozwój tych materiałów wynika z potrzeby uzyskania bardzo wysokiej wytrzymałości i sztywności przy jednoczesnym zmniejszeniu ciężaru konstrukcji. Elementy wykonane z CFRPs są od 2 do 5 razy sztywniejsze (w stosunku do ich masy), niż elementy wykonane z aluminium lub stali. Ponadto ich właściwości tj. odporność korozyjna czy starzeniowa pozwalają zastąpić tradycyjne materiały, w wielu gałęziach przemysłu, takich jak przemysł lotniczy, motoryzacyjny, morski, medyczny, a nawet w artykułach sportowych. Wzrost zainteresowania CFRPs jako lekkimi materiałami konstrukcyjnymi, jest również podyktowany regulacjami prawnymi, zgodnie z którymi Komisja Europejska (KE), na skutek Porozumienia Paryskiego, zamierza do 2050 roku zredukować emisję gazów cieplarnianych o 80% poniżej poziomów z 1990 roku. W tym celu KE mocno wspiera systemy elektryczne w pojazdach naziemnych i powietrznych, dla których masa poszczególnych komponentów jest niezwykle istotna z punktu widzenia zasięgu oraz zużycia energii, co stwarza szerokie możliwości aplikacyjne dla CFRPs.

Dodatkowo, istnieje wyraźny problem z recyklingiem kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami węglowymi. I właśnie na wyjściu naprzeciwko tym wyzwaniom skupia się projekt PolComTheR.

Czy główne cele projektu udaje się realizować?

Głównym celem projektu PolComTheR jest opracowanie metody poprawy właściwości elektrycznych i mechanicznych polimerowych kompozytów na osnowie termoplastycznej żywicy akrylowej wzmacnianych włóknami węglowymi. Zostanie to zrealizowane poprzez osiągniecie celów pośrednich do których należą:

– Modyfikacja tworzyw termoplastycznych z dodatkiem nanorurek węglowych, a następnie wytworzenie nowatorskich przewodzących włóknin metodą tłoczenia i prasowania;

– Modyfikacja termoplastycznej żywicy akrylowej;

– Optymalizacja procesu wytwarzania kompozytów polimerowych metodą infuzji;

Wszystkie cele pośrednie zostały osiągnięte, a teraz jesteśmy na finalnym etapie wytwarzania przeskalowanego elementu karoserii samochodu, co potwierdzi możliwość przeniesienia technologii ze skali laboratoryjnej do przemysłowej.

Na co pozwoli niższa masa nowatorskiego materiału kompozytowego w branży motoryzacyjnej?

Zastosowanie materiału kompozytowego o niższej masie, ale zapewniającego pożądane parametry wytrzymałościowe niesie za sobą wiele korzyści, do których głównie należą m.in.:

– Wyższa wydajność paliwowa: Lekkie kompozyty polimerowe pozwalają na finalną redukcję masę pojazdu, co skutkuje niższym zużyciem paliwa. Wzrost wydajności paliwowej jest szczególnie istotny dla pojazdów napędzanych tradycyjnymi silnikami spalinowymi, które stanowią większość pojazdów na drogach.

– Redukcja emisji CO2: wykorzystanie materiałów kompozytowych o niższej masie w branży motoryzacyjnej jest kluczowym krokiem w kierunku zrównoważonego rozwoju. Wpływa to na ograniczenie negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko, zmniejszenie zmian klimatycznych i poprawę jakości powietrza, przyczyniając się do długofalowej ochrony naszej planety dla przyszłych pokoleń.

Niezwykle ważna w projekcie jest możliwość poddania materiału kompozytowego recyklingowi, prawda?

Zdecydowanie tak! Jest to nadzwyczaj istotne z kilku powodów:

– Oddziaływanie na środowisko – poużytkowe wyroby CFRP mogą stać się odpadami trudnymi do utylizacji, co może prowadzić do gromadzenia się materiałów na wysypiskach śmieci lub ich spalania, co ma negatywny wpływ na środowisko.

– Materiałochłonność – włókna węglowe, używane jako wzmocnienie w CFRPs, są drogie i wymagają energochłonnego procesu produkcji. Recykling pozwala na odzyskanie tych cennych surowców z już istniejących produktów CFRPs, co przyczynia się do oszczędności kosztów i ograniczenia zapotrzebowania na nowe włókna węglowe. Ponadto w ostatnich latach obserwuje się nienadążającą podaż za popytem dla włókien węglowych, co oznacza, że w pewnym momencie może po prostu zabraknąć włókien węglowych!

– Zrównoważony rozwój – w dzisiejszym społeczeństwie rosnąca troska o zrównoważony rozwój stawia przed przemysłem wyzwania związane z minimalizacją wpływu na środowisko. Recykling materiałów kompozytowych jest istotny, ponieważ wpisuje się w dążenie do zminimalizowania negatywnego wpływu człowieka na środowisko poprzez ograniczenie zużycia surowców, generację odpadów oraz ograniczenie emisji gazów cieplarnianych.

Elium® jako żywica termoplastyczna może być poddawana recyklingowi co jest jej ogromną zaletą biorąc pod uwagę możliwość wykorzystania jej na duże elementy konstrukcyjne, np. łopaty turbin wiatrowych. Producent proponuje dwie możliwości recyklingu. Pierwsza to mielenie wyrobu po skończonym cyklu życia i stosowanie go jako dodatku, w ilości 20–40%, do innych polimerów podczas procesu produkcyjnego nowego wyrobu. Drugą metodą jest odzyskanie monomerów MMA oraz włókien poprzez zastosowanie procesu depolimeryzacji na dużych elementach konstrukcyjnych. Zaletą tej metody jest możliwość odzyskania zarówno materiału żywicy jak i włókien wykorzystanych przy produkcji

Gdzie innowacyjne kompozyty polimerowe mogłyby zając swoje zastosowanie? Przemysł mówi: jesteśmy zainteresowani!

Grupą docelową wyników wypracowanych w ramach realizacji projektu PolComTheR są gałęzie przemysłu produkujące polimerowe kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi i szukające sposobów na poprawę ich właściwości mechanicznych i elektrycznych, firmy wykorzystujące elementy kompozytowe, jak również firmy zajmujące się recyklingiem i ponownym wykorzystaniem kompozytów polimerowych. Zostało to potwierdzone otrzymaniem 9 listów intencyjnych od firm działających w wielu branżach, poczynając od producenta tworzyw z nanorurkami węglowymi, producenta statków powietrznych, jachtów, elementów motoryzacyjnych, zbiorników ciśnieniowych, jak również przedsiębiorstwo zajmujące się recyklingiem polimerowych kompozytów.

Jak fundamentalny jest dla Pana Doktora zespół, z którym realizuje Pan projekt?

Zespół projektowy, który zbudowałem na potrzeby realizacji tego projektu był jednym z większych zespołów w całej edycji LIDER XI. Składał się z czterech doktorów, dwóch doktorantów, studenta, technika oraz mojej osoby. Liczba ta była podyktowana interdyscyplinarnością zaproponowanych badań oraz poziomem zaawansowania prac projektowych. Każdy z Członków Zespołu posiada ogromną wiedze i bogate doświadczenie w dziedzinach, w których realizowany jest projekt, a także doskonale rozumie sposób realizacji projektów badawczo-rozwojowych. Jestem przekonany, że gdyby nie wzajemne dopełnianie swoich umiejętności, skuteczna komunikacja oraz wysoka motywacja całego Zespołu byłoby niemożliwe zrealizowanie tego projektu, za co wszystkim bardzo dziękuję z tego miejsca!

Jaki będzie efekt finalny projektu?

Głównym efektem końcowym projektu PolComTheR będzie opracowanie materiału kompozytowego na bazie termoplastycznej żywicy akrylowej z dodatkiem modyfikowanych termoplastycznych włóknin z nanorurkami węglowymi, o podwyższonych właściwościach elektrycznych i mechanicznych. Osiągnięty w ramach projektu sukces będzie stanowić przełomowe rozwiązanie dla poszerzenia możliwości aplikacji CFRP w wielu gałęziach przemysłu.

Czego mogę życzyć Panie Doktorze?

Przede wszystkim cierpliwości i niegasnącej motywacji do działania!

Badania prowadzone w ramach projektu nr. LIDER/46/0185/L-11/19/NCBR/2020, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.