Jeśli coś pali się nieźle, to co zrobić, jeśli chcemy, żeby się nie paliło? Zwłaszcza gdy jest to materiał, z którego wykonuje się przedmioty codziennego użytku. Na rozwiązanie wpadli naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej.
Święty Graal inżynierii materiałowej? Tworzywo, które jest proste w obróbce, a do tego lekkie, wytrzymałe i elastyczne. Oraz niedrogie. Dlatego konstruktorzy uwielbiają kompozyty epoksydowe, czyli materiały, w których włókna szklane, węglowe lub inne połączone są za pomocą żywic epoksydowych. Uwielbiają je, ale są świadomi istotnej ich wady: palności. W pewnych zastosowaniach jest to niedopuszczalne, od kiedy tylko inżynierowie zaczęli sięgać po te materiały w swoich konstrukcjach, naukowcy zaczęli szukać sposobów na ich uniepalnienie.
Skuteczny sposób znalazł się szybko, bo do żywicy wystarczyło dodać związki chloru lub bromu. Problem polegał na tym, że jeśli mimo wszystko zaczęła się palić – uniepalnienie nie oznacza całkowitej odporności na ogień, w końcu żywica zawiera związki organiczne, które są łatwopalne – to tak wzbogacona wydzielała trujące gazy. – Z punktu widzenia osób zamkniętych w pomieszczeniu z przedmiotami wykonanymi z tych materiałów efekt był ten sam, jakby po prostu były łatwopalne – komentuje dr hab. inż. Maciej Heneczkowski z Politechniki Rzeszowskiej. Dlatego naukowcy nie ustają w poszukiwaniu innych rozwiązań, które nie tylko nie będą grozić zatruciem człowieka, lecz także będą jeszcze bardziej ognioodporne.
Podkarpaccy inżynierowie znaleźli rozwiązanie w bentonicie, ilastej glebie powstałej po przekształceniu popiołów wulkanicznych. Zrozumienie, w jaki sposób bentonit uniepalnia żywicę, a wraz z nią materiał kompozytowy, do wykonania którego została użyta, będzie prostsze po szybkim spojrzeniu na nie pod mikroskopem. – Włókna szklane czy węglowe niesklejone ze sobą nie są sztywne, w związku z czym potrzebny jest materiał, który pod wpływem temperatury zwiąże je ze sobą i uczyni z nich materiał zdolny do wytworzenia elementów konstrukcyjnych. Do tego służą żywice, które są świetnymi klejami. Obydwa materiały pod mikroskopem mają postać długich nitek. Jeśli więc ułożymy włókna równolegle do siebie, to łańcuchy polimerowe, z których składa się żywica, zadziałają jak ścieg poprzeczny, wiążąc w ten sposób całość w wytrzymałe i elastyczne tworzywo. Proces ten nazywamy sieciowaniem – tłumaczy dr hab. inż. Mariusz Oleksy z PR, dodając dla ścisłości, że jest wiele gatunków żywic poza epoksydowymi, np. poliestrowe, poliuretanowe, mocznikowo-formaldehydowe itd.
Siatka materiału kompozytowego jest wytrzymała i elastyczna, ale po dokładnej inspekcji można dostrzec, że pomiędzy poszczególnymi włóknami jest jeszcze miejsce na dodatki. Nie ma go zbyt wiele, więc domieszka będzie musiała być starta na odpowiednio małe ziarna – tak małe, że ich wielkość będzie można liczyć w nanometrach. W tej skali bentonit wygląda jak płytki. – Trzeba go tylko do tego zmusić. Jeśli wsypiemy cukier do herbaty i tak zostawimy, to proces rozpuszczania będzie trwał bardzo długo. Jednak, jak mawiał Stefan Kisielewski, od samego mieszania herbata też nie robi się słodka – musieliśmy opracować kilkuetapową procedurę mieszania, która jest istotą wynalazku. Dzięki niej bentonit rozbijany jest na nanometrowej wielkości płytki, które rozprowadzane są równomiernie po całej żywicy. Co jest bardzo ważne, bo bentonit zadziała jak bariera ognioodporna tylko wtedy, jeśli w każdym punkcie będzie go mniej więcej tyle samo, a nie kiedy zbije się w grudki – mówi dr inż. Rafał Oliwa.
Naukowcy osiągają ten efekt dwojako, działając na bentonit niejako z zewnątrz i z wewnątrz. Z zewnątrz materiał jest kruszony i rozcierany. Dodatkowo rozpycha się go od wewnątrz. Na czym to polega? W naturalnej skale bentonitowej nanopłytki są upakowane jedna na drugiej. Między nimi zaś często znajdują się kationy metali, jakie można znaleźć w glebie – sodu, wapnia, magnezu czy potasu. Inżynierowie wymyślili, że jeśli uda im się podstawić w miejsce kationów metalowych większe związki chemiczne, także o dodatnim ładunku, to w efekcie rozepchają bentonit od środka, tworząc dodatkową przestrzeń, w którą mogą wniknąć łańcuchy żywicy. Trik polegał na tym, aby tak dobrać rozpychacz, aby jeszcze dodatkowo zachęcał polimer do wsunięcia się między bentonitowe płytki.
Dobór rozpychacza był o tyle prosty, że nad problemem wnikania łańcuchów żywicy między płytki bentonitowe pracował przez kilka lat dr hab. inż. Oleksy. Ostatecznie stanęło na czwartorzędowej soli amoniowej. – To związek azotu, który oprócz trzech wiązań kowalencyjnych (najzwyklejszy typ wiązania między atomami) tworzy jedno donorowe, czego efektem jest przewaga ładunku dodatniego na tym atomie. Z tego względu sól tę można uważać za kation – i podstawić w miejsce dodatnio naładowanych jonów metali między płytkami bentonitu – tłumaczy prof. Henryk Galina z PR.
Tak domieszkowaną żywicę naukowcy dodali do włókna szklanego. W efekcie powstała kompozycja, w której wiązanie żywicy z włóknami nie tylko jest silniejsze, ale poprawie ulegają też parametry wytrzymałościowe. Co więcej, materiał spełnił pokładane w nim nadzieje co do uniepalnienia i należy do najwyższej klasy V0 według normy UL 94 (najniższa to V5). – Znaczy to tyle, że w trakcie tzw. pionowej próby palenia, gdzie kawałek materiału umieszcza się w pozycji pionowej, a następnie poddaje działaniu płomienia o określonej długości, ulega on zapłonowi na maksymalnie 10 sekund, a oprócz tego nic z niego nie skapuje i nic się nie sypie. Co jest bardzo ważne, bo gorące odłamki czy krople mogą przenosić pożar dalej – tłumaczy mgr inż. Justyna Czech-Polak z PR.
Naukowcy prowadzili prace w ramach projektu „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” i – jak zaznaczają – cieszą się już z pierwszej komercjalizacji wynalazku powstałego przy jego realizacji.
Eureka! DGP
Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.
Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.
