Tworzywa w izolacji kabli wysokiego napięcia czy w wytrzymałych kompozytach projektuje się tak, by po utwardzeniu już nigdy się nie topiły. To zaleta w codziennej pracy i spory kłopot, gdy przychodzi czas na recykling. Zespół europejskiego projektu VIT sprawdzał, czy da się pogodzić jedno z drugim, i opracował materiały, które same sygnalizują uszkodzenia zmianą koloru, a po podgrzaniu można je przetworzyć ponownie — a na końcu sprawdzisz, ile jest w tobie inżyniera materiałowego.
Tworzywa termoutwardzalne trafiają tam, gdzie liczy się wytrzymałość: do kompozytów, powłok i izolatorów elektrycznych pracujących pod wysokim napięciem. Ich największa zaleta jest zarazem największą wadą. Zaprojektowano je tak, aby po utwardzeniu nie topiły się ani nie płynęły. W trakcie eksploatacji są więc stabilne, ale gdy kończy się ich życie, bardzo trudno wykorzystać je ponownie.
Tym problemem zajął się zespół projektu VIT, finansowanego przez Unię Europejską w ramach działań imienia Marii Skłodowskiej-Curie i koordynowanego przez Uniwersytet w Parmie we Włoszech.
Naukowcy postawili na witrimery. To polimery, które podczas użytkowania zachowują się jak klasyczne tworzywa termoutwardzalne, ale po podgrzaniu mogą zmieniać kształt, nadają się do naprawy lub ponownego przetworzenia. Cel był jasny: opracować materiały, które łączą funkcjonalność z możliwością recyklingu.
Prace toczyły się na kilku frontach jednocześnie. Badacze zajmowali się:
Jednym z kluczowych rezultatów jest zestaw materiałów, które uwidaczniają naprężenia, zarysowania, zawilgocenie lub dostęp tlenu poprzez widoczną zmianę koloru albo fluorescencji. Odpowiadają za to specjalne cząsteczki nazywane mechanoforami.
„Dzięki naszym cząsteczkom optycznym zwanym mechanoforami możliwe jest wykrycie uszkodzeń, zawilgocenia lub przenikania tlenu gołym okiem, ponieważ zjawiska te powodują wyraźną zmianę koloru” — wyjaśnia koordynatorka projektu Roberta Pinalli.
W praktyce oznacza to szansę na wychwycenie drobnych rys i mikropęknięć, zanim przerodzą się w poważniejsze uszkodzenia. Co ważne, w wybranych systemach reakcję optyczną udało się zachować lub przywrócić także po ponownym przetworzeniu materiału. Sygnalizacja nie znika więc razem z pierwszym cyklem życia tworzywa.
Partnerzy projektu sprawdzali, jak nowe materiały poradzą sobie w izolacji kabli wysokiego napięcia, w kompozytach i w częściach termoutwardzalnych. Kable to dobry poligon doświadczalny, bo powszechnie stosowany do ich izolacji usieciowany polietylen trudno poddać recyklingowi.
Zespół przetestował więc jonomery na bazie polietylenu oraz formulacje witrimerów jako możliwe zamienniki. Wynik jest obiecujący: ich właściwości elektryczne okazały się porównywalne z właściwościami materiałów konwencjonalnych.
Najtrudniej było utrzymać wytrzymałość mechaniczną. To ta cecha okazała się najbardziej wrażliwa na ponowne przetwarzanie. Jak relacjonuje Pinalli, w przypadku materiałów na bazie polietylenu „po recyklingu zaobserwowaliśmy zwiększenie sztywności”.
Taka obserwacja potwierdza, że materiał da się przetworzyć ponownie, ale jego zachowanie mechaniczne w dużym stopniu zależy od historii przetwarzania i warunków recyklingu. W izolacji kabli czy w kompozytach, gdzie parametry muszą być przewidywalne przez długi czas, to kwestia kluczowa.
Badacze wykazali też, że wybrane samodiagnozujące się systemy witrimerów można przetworzyć co najmniej czterokrotnie, a ich odpowiedź funkcjonalna zostaje zachowana. Większej liczby cykli na razie nie testowano. Po kolejnych obróbkach materiały stawały się mniej elastyczne i pod pewnymi względami słabsze mechanicznie, choć ich sztywność zasadniczo się nie zmieniała.
Zespół zaprezentował także metody przetwarzania istotne dla przemysłu: wytłaczanie reaktywne, formowanie kompresyjne i formowanie wtryskowe, sprawdzone na wybranych systemach na bazie polietylenu. Mimo to główną przeszkodą pozostaje przełożenie chemii laboratoryjnej na niezawodną produkcję.
„Największą barierę stanowi sprzęt przetwórczy, ponieważ pod względem właściwości reologicznych przetwarzanie witrimerów znacząco różni się od przetwarzania termoplastów – przede wszystkim ze względu na różnicę lepkości, która w przypadku witrimerów jest znacznie większa” — podkreśla koordynatorka.
Dla firm oznaczałoby to konieczność dostosowania zakresów temperatur procesu, protokołów suszenia, czasu przetwarzania i warunków mieszania. Sama nowa chemia nie wystarczy, potrzebne są też zmiany na linii produkcyjnej.
Historia VIT dobrze pokazuje, ile specjalności spotyka się przy pracy nad jednym tworzywem. Jest tu projektowanie cząsteczek i chemia polimerów, elektrotechnika związana z izolacją kabli, a także inżynieria procesowa i przetwórstwo tworzyw sztucznych. Każda z tych dziedzin wnosi swój element: jedni sprawiają, że materiał zmienia kolor przy pęknięciu, inni sprawdzają, czy nadal dobrze izoluje, a jeszcze inni szukają sposobu, by dało się go wytłaczać i formować na skalę przemysłową.
Projekt VIT wykazał, że inteligentne witrimery potrafią diagnozować uszkodzenia, wspomagać ich naprawę i umożliwiać ponowne przetwarzanie. Zastąpienie obecnie stosowanych, trudnych w recyklingu tworzyw termoutwardzalnych będzie jednak wymagało długoterminowej walidacji, standardowych metod badań i procesów, które przemysł zdoła niezawodnie wdrożyć. Droga od tworzywa zmieniającego kolor przy pęknięciu do kabla w sieci energetycznej jest więc jeszcze długa, ale pierwsze kroki zostały zrobione.
5 pytań · minuta
poleca:
