Polimery są materiałami przyszłości

• Strona główna
• Artykuły
• Polimery są materiałami przyszłości

2015-07-22

Polimerowe materiały inteligentne
Prace naukowo-badawcze, również te prowadzone w Instytucie Technologii Polimerów i Barwników Politechniki Łódzkiej, koncentrują się wokół szeroko pojętych zagadnień związanych z podstawami chemii i technologii polimerów, przetwórstwa i recyklingu polimerów, badaniami ich właściwości użytkowych decydujących o zastosowaniach w wielu dziedzinach przemysłu.

W szerokim zakresie prowadzone są badania naukowe podstawowe i stosowane oraz prace rozwojowe, wdrożeniowe i projektowe dotyczące kompozytów elastomerowych o ograniczonej przepuszczalności gazów oraz podwyższonych parametrach wytrzymałościowych; magnetoreologicznych i magnetycznych kompozytów elastomerowych; degradacji oraz stabilizacji biokompozytów polimerowych; materiałów elastomerowych zabezpieczających przed promieniowaniem rentgenowskim; termokurczliwych kompozytów elastomerowych; kompozytów ceramizujących jako osłon kabli elektrycznych; światłoutwardzalnych kompozytów dentystycznych; barwnikowych fotoinicjatorów polimeryzacji; syntezy trwałych pigmentów organicznych i nowych barwników bezpośrednich i reaktywnych przeznaczonych do barwienia włókien celulozowych oraz barwników kwasowych do wełny i włókien poliamidowych. Odbywają się też badania w zakresie barwników funkcjonalnych; polimerowych nośników katalizatorów kompleksowych i podłoży polimerowych enkapsułowanych na rdzeniu ferromagnetycznym; kompozycji żywic epoksydowych opartych na cieczach jonowych, polimerkaptanach i politiouretanach; nanocząstek modyfikowanych metodą kontrolowanej polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu (ATRP) inicjowanej z powierzchni.

Większość z wymienionych kierunków badań dotyczy tematyki tzw. polimerowych materiałów inteligentnych. Do wyzwań współczesnej inżynierii materiałowej należy projektowanie oraz produkcja multifunkcyjnych materiałów, które posiadają „inteligencję” na poziomie materiałowym. Odniesienie do inteligencji materiałowej obrazuje trzy podstawowe funkcje: odczuwanie zmian, przetwarzanie pozyskanych informacji oraz odpowiedź na te zmiany.

Innowacyjne funkcje inteligentnych materiałów są w wielu przypadkach odpowiednikiem naturalnych zachowań organizmów żywych. Systemy biologiczne stale adaptują się do dynamicznych zmian środowiska naturalnego, poprzez rozwój wrodzonych zdolności homeostazy. Materiały typu „smart” także powinny zatem wykazywać podobną charakterystykę. Materiały inteligentne (smart materials, inteligent materials, adaptive materials, multifunctional materials) zdolne są do reagowania na bodźce zewnętrzne przez istotną zmianę ich właściwości dla uzyskania żądanej i skutecznej odpowiedzi na te bodźce.

W praktycznym zastosowaniu materiały inteligentne mogą występować samodzielnie lub stanowić pewien składnik struktury konstrukcyjnej lub funkcjonalnej. Materiał inteligentny powinien spełniać jednocześnie rolę sensora, analizatora, przetwarzacza informacji, działając na zasadzie pętli sprzężenia zwrotnego, a ponadto wykonywać polecenia wysyłane z analizatora. Materiały tego typu znajdują obecnie zastosowanie niemal w każdej dziedzinie nauki czy techniki, a liczba potencjalnych zastosowań w każdym aspekcie gospodarczym i społecznym nadal rośnie.

Polimerowe materiały samonaprawiające
Jednym z wyzwań stawianych podczas konstruowania materiałów polimerowych jest wydłużenie ich żywotności, a zarazem zapewnienie bezpieczeństwa podczas ich użytkowania.

Główną koncepcją prowadzącą do uzyskania tego celu jest skonstruowanie materiału, który byłby w stanie reagować na niewidzialne mikropęknięcia w strukturze, tzn. byłby w stanie sam się naprawić.

Wizja mechanizmu samouzdrawiania się materiałów jest analogiczna do tego, jaki istnieje w przyrodzie (np. zrastanie się złamanej kości, gojenie ran itd.) i opiera się na natychmiastowej reakcji na uszkodzenie bez (lub przy minimalnej) ingerencji człowieka. Głównym założeniem przy projektowaniu materiałów samonaprawiających jest to, aby po regeneracji były one w stanie odzyskać swoje pierwotne właściwości mechaniczne, albo chociaż mogły ograniczyć ich pogorszenie wywołane mikropęknięciami. „Wyleczenie” może nastąpić autonomicznie lub być aktywowane zewnętrznym bodźcem, np. temperaturą bądź promieniowaniem. Autonomicznie działające materiały samonaprawiające nie potrzebują zewnętrznego impulsu, gdyż samo uszkodzenie staje się bodźcem do naprawy.

W tej chwili prowadzone są badania nad samonaprawiającymi się materiałami na bazie żywicy epoksydowej, do której wprowadza się mikrokapsułki zawierające substancje „lecznicze” w postaci monomerów, katalizatorów i inicjatorów. Kiedy materiał pęka, pękają również mikrokapsułki. Wydobywająca się z nich ciecz wypełnia wolną przestrzeń powstałą na skutek pęknięcia, a pod wpływem katalizatora następuje polimeryzacja monomeru i związanie z powierzchniami mikrouszkodzenia. Tak otrzymane samoleczące się kompozyty osiągają ponad 80% pierwotnych właściwości i mogą być stosowane np. do otrzymywania inteligentnych powłok posiadających zdolność samorzutnego zasklepiania rys i uszkodzeń.

Trwają również prace nad otrzymywaniem materiałów powłokowych, dla których proces samonaprawy uszkodzeń inicjowany jest poprzez ogrzanie powłoki. Zastosowane układy latentnych utwardzaczy umożliwiają w podwyższonej temperaturze utworzenie nowej sieci połączeń polimeru, co skutkuje samoczynnym usunięciem uszkodzeń powłoki epoksydowej. Nowym rozwiązaniem jest także samonaprawiająca się guma, która po przerwaniu lub przebiciu może częściowo odbudować swoją strukturę. Nowy materiał powstał w wyniku modyfikacji kauczuku silikonowego na etapie sporządzania mieszanki gumowej. Swoje właściwości samonaprawiające guma zawdzięcza obecności grup kwasowych i zasadowych tworzących mobilne i odwracalne węzły sieci. W efekcie, kiedy dwie części rozerwanej gumy przytknie się do siebie, wówczas połączą się, nie zostawiając najmniejszego śladu. Niewątpliwą zaletą takiego mechanizmu samonaprawy jest fakt, iż proces uzdrawiania może być powtarzany wielokrotnie.

Niezależnie od zastosowanego mechanizmu, idea i sam proces samonaprawiania otwiera nowe możliwości w projektowaniu niezawodnych materiałów, co może przyczynić się do ogromnej rewolucji technologicznej chociażby w projektowaniu elementów konstrukcyjnych. Co więcej, może wpłynąć na przedłużenie życia kluczowych elementów, np. w budownictwie, motoryzacji lub w zastosowaniach z dziedziny medycyny (implanty), co w perspektywie przełoży się na optymalizację efektywności gospodarczej.

Polimerowe materiały magnetoreologiczne
Magnetoreologiczne ciecze, pianki i elastomery należą do jednej z klas materiałów inteligentnych, które mogą w wyniku działania pola magnetycznego zmieniać właściwości reologiczne w sposób ciągły, gwałtowny i odwracalny.

Materiały magnetoreologiczne (MR) bazują na zawiesinie magnetycznie polaryzowalnych cząstek, zazwyczaj są to związki żelaza, w niemagnetycznym medium. Do materiałów magnetoreologicznych zaliczamy m.in. ciecze magnetoreologiczne (Magneto Rheological Fluids – MRF), które zawierają cząstki o wysokiej gęstości (np. żelazo, ferryt) rozproszone w cieczy – oleju mineralnym lub syntetycznym o niskiej gęstości. Ciecze te mogą zmieniać swoją konsystencję z gęstego płynu do niemalże ciała stałego, w zależności od tego, jak silne pole magnetyczne zostało zastosowane. W cieczach MR zastosowanie pola magnetycznego powoduje, że cząstki w celu osiągnięcia dużych momentów magnetycznych, ustawiają się w kierunku zewnętrznego pola. Siły oddziaływania międzycząsteczkowego powodują przyciąganie się cząstek, co prowadzi do agregacji w złożonych sieciach, skracania odległości między nimi, a więc usztywnienia materiału. Po usunięciu pola magnetycznego, ciecz wraca do stanu wyjściowego. Magnetoreologiczne elastomery (MRE) są nową gałęzią materiałów magnetoreologicznych (MR). Są to stałe analogi MRF, w których olej zastąpiony został przez ośrodek polimerowy bądź żel. Odpowiedzią cieczy magnetoreologicznej na pole magnetyczne jest przesunięcie granicy płynięcia, zaś w przypadku elastomeru magnetoreologicznego – wzrost modułu elastyczności.

Właściwości mechaniczne, w tym moduł i zdolność tłumienia, mogą być modulowane przez pole magnetyczne. Zmiana sztywności materiału w różnych warunkach pracy jest podstawą zastosowań MR jako samoadaptujących się opraw silników czy amortyzatorów. Dzięki wyjątkowym właściwościom, materiały te mogą znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle kosmicznym, elektrotechnice, jako urządzenia do tłumienia drgań, w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji zawieszeń o zmiennej sztywności lub jako sensory i czujniki ugięcia.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 3/2015 "CHEMII I BIZNESU". ZAPRASZAMY

tworzywa sztucznebadania i rozwój