Polimery, energetyka i… kakadu żółtoczube

Sławomir Dolecki

O polimerach oraz ich zastosowaniu w życiu i przemyśle rozmawiamy z naukowcami krakowskiego Centrum Badawczego ABB.

Próbowałem zrozumieć, czym są polimery i… niestety mi się nie udało. Doszedłem do wniosku, że wszystko jest polimerem…

Andrzej Rybak: W obecnych czasach polimery są tak powszechnie stosowane, że to spostrzeżenie ma w sobie dużo prawdy. Począwszy od sprzętów typowo domowych, z którymi stykamy się codziennie, przez różne aplikacje przemysłowe w motoryzacji czy medycynie, po urządzenia, w jakich specjalizuje się ABB – w energetyce czy robotyce.

To akurat sztuczne twory, ale są także polimery naturalne.

A.R.: Tak, ale zazwyczaj nie spełniają one parametrów, które są dla nas pożądane. Polimery znane są przecież od tysiącleci, już Aztekowie i Majowie umieli dodawać do naturalnego polimeru, jakim jest lateks, różne składniki, aby otrzymać materiał na sandały czy piłkę, która potrafiła się odbijać.

Robert Sekuła: Ale dopiero Charles Goodyear zrobił z tego proces przemysłowy przez dodatnie do kauczuku związków siarki. Znamy to dzisiaj jako proces wulkanizacji.

A.R.: Były to lata 40. XIX wieku. Wówczas po raz pierwszy zastosowano w przemyśle materiały syntetyczne. Naturalne polimery również były stosowane, ale do prostych aplikacji, niewymagających specjalnych parametrów.

Czyli przemysł jest zainteresowany tymi polimerami, które da się łatwo przetworzyć i w pełni kontrolować ich właściwości?

R.S.: Najważniejsza jest właśnie możliwość stosunkowo łatwego przetwórstwa i uzyskiwania odpowiednich kształtów. Chodzi o stosowanie form i proces wtrysku, wykorzystanie tworzyw termoplastycznych i chemoutwardzalnych, czyli żywic epoksydowych i silikonów. Ale my nie wykorzystujemy naturalnych polimerów, poszukujemy kompozytów polimerowych, które zapewniają nam odpowiednie parametry chemiczne, mechaniczne, termiczne czy dielektryczne. W tym celu dodaje się odpowiednie napełniacze funkcjonalne. Pozwala to również na uzyskanie pewnych oszczędności, ponieważ sama matryca polimerowa jest najdroższym elementem mieszanki.

A.R.: Zdarzają się, oczywiście, pewne rodzaje polimerów funkcjonalnych, gdzie dodanie napełniaczy nie zawsze obniża koszt. Na przykład grafen nie jest materiałem tanim, a dodajemy go, by poprawić własności elektryczne kompozytu.

R.S.: Grafen poprawia także własności mechaniczne, testowaliśmy przecież wpływ grafenu i tlenku grafenu na wytrzymałość całej struktury, bo kiedy dodajemy pewne składniki, mające zmienić własności materiału końcowego, mówimy właśnie o polimerach funkcjonalnych. Na przykład poza grafenem, przewodność elektryczną zwiększają napełniacze węglopochodne, np. sadza, a większa przewodność elektryczna komponentu pozwala nam za jego pośrednictwem kształtować pole elektryczne. Z kolei azotek boru czy azotek krzemu zwiększają przewodność cieplną przy zachowaniu właściwości dielektrycznych. Mając taki materiał, możemy efektywniej odprowadzać ciepło generowane wewnątrz produktów. A mówię o tym, ponieważ większość aparatury ABB pracuje przy wysokich napięciach i wysokich prądach, czyli jednym z głównych problemów jest przegrzewanie się elementów. Dlatego ważnym kierunkiem naszych badań jest poszukiwanie materiałów izolacyjnych o zwiększonym przewodnictwie cieplnym.

Biegun PT-1
Biegun PT-1

Panowie, proszę abyście nazwali te polimery, bo to magiczne słowo zawiera w sobie wszystko. Co to jest? Guma? Plastik? Silikon?

R.S.: W naszych działaniach używamy wszystkich podstawowych polimerów. Począwszy od tradycyjnych – plastiku, czyli tworzywa termoplastycznego. One się charakteryzują tym, że po procesie polimeryzacji możemy je stopić i ponownie przetworzyć.

A.R.: Charakteryzują się przede wszystkim temperaturą mięknięcia, powyżej której możemy je plastycznie formować, a kiedy obniżymy temperaturę – zapamiętują kształt.

R.S.: Mamy też drugi rodzaj szeroko stosowanych polimerów – szczególnie w aparaturze wysokiego napięcia – to polimery oparte na żywicach epoksydowych i na różnych rodzajach silikonów.

Wspomniał Pan o Goodyerze, który potrafił opanować i wykorzystać na skalę przemysłową proces uszlachetniania kauczuku. A co było katalizatorem w przypadku tworzyw sztucznych?

A.R.: Jednym z pierwszych kroków było opracowanie w połowie XIX wieku celuloidu. Był to produkt półsyntetyczny. Na bazie naturalnego polimeru, jakim jest celuloza, wytworzono celuloid, który początkowo stosowany był do wyrobów codziennego użytku – ozdób, zabawek, a później wytwarzano z niego błony filmowe i piłeczki ping-pongowe. Jest to materiał łatwopalny, większość z nas w dzieciństwie podpalała takie piłeczki czy stare taśmy. Te pierwsze polimery syntetyczne były mało odporne chemicznie. Dopiero wytworzenie bakelitu przez Leo Baekelanda, na początku XX wieku, spowodowało rozpowszechnienie tworzyw. Wyrabiano z nich m.in. obudowy do aparatury elektrycznej, czy wyłączniki i gniazdka elektryczne. Na pewno duży rozwój przemysłu chemicznego wymusiła II wojna światowa, pojawiło się ogromne zapotrzebowanie na różnego rodzaju materiały czy włókna. Wówczas powstał polietylen, teflon, a nieco później kevlar.

Czy polimery wyparły już materiały naturalne?

A.R.: Syntetyczne polimery raczej tak, chociażby dlatego, że źródła materiałów naturalnych są dość ograniczone.

R.S.: Poza tym w przemyśle jest trend, żeby na przykład stalowe elementy konstrukcji zastępować polimerowymi. Widać więc duży boom na materiały polimerowe, szczególnie że w ostatnich latach rozwijają się materiały o dodatkowych, ściśle określonych funkcjach, na przykład elektrycznych czy cieplnych. Mówi się także o właściwościach sensorycznych – materiał sam w sobie może pełnić funkcję jakiegoś czujnika lub zjawiska.

A.R.: Na przykład zmienia kolor pod wypływem temperatury czy wytwarza napięcie po ściśnięciu. Są to polimery chromogeniczne. I bardzo dużo badań prowadzi się właśnie w tym kierunku.

Polimery
Fot. natashapankina/Fotolia

A wasz wkład w te badania? Możecie się czymś pochwalić?

A.R.: W samej modyfikacji polimerów, w stricte chemicznej syntezie, nasze Centrum Badawcze nie ma dużego wkładu, ale mamy wiele sukcesów w zakresie modyfikacji polimerów w kontekście ich funkcjonalności. Na przykład pracowaliśmy nad materiałami o zwiększonym przewodnictwie cieplnym do efektywniejszego chłodzenia aparatury ABB, w której mamy element elektroniczny zamknięty w obudowie z tworzywa sztucznego. Aby poprawić efektywność działania takiego urządzenia, musieliśmy zwiększyć przewodnictwo cieplne żywicy epoksydowej, zachowując jednocześnie jej parametry izolacji elektrycznej. W Krakowie udało się opracować napełniacz na bazie taniej mączki kwarcowej, której ziarnom dodaliśmy otoczkę z materiałów o wysokim przewodnictwie cieplnym, w tym przypadku azotków. Wykazaliśmy wstępnie przez modelowanie teoretyczne, a następnie udowodniliśmy w praktyce, że można uzyskać żywicę epoksydową o przewodnictwie cieplnym prawie dwa razy większym niż ma standardowa żywica stosowana obecnie w naszej aparaturze.

Pomysł trafił już na produkcję?

R.S.: Do komercyjnego wykorzystania jeszcze daleko, bo chodzi o syntezę masową. Przeprowadziliśmy już wstępne testy z firmami zewnętrznymi, ponieważ ABB nie produkuje materiałów. My rozwijamy technologie, potwierdzamy koncepcję w małej skali, a jeśli chcemy mieć efekt ekonomiczny, projekt musi przejść w skalę masową, co wymaga umów z partnerami zewnętrznymi.

A.R.: Robiliśmy już testy w skali półprzemysłowej, podczas których udało się potwierdzić parametry laboratoryjne, więc jesteśmy na dobrej drodze do wdrożenia.

Pracujecie tylko nad obudowami do aparatury, czy macie w portfolio jakieś ciekawe projekty?

R.S.: O, tu akurat mamy się czym pochwalić, bo kolega przez wiele lat prowadził bardzo ciekawy projekt, jeśli chodzi o polimery funkcjonalne…

A.R.: Można powiedzieć, że wręcz egzotyczny, bo dotyczący materiałów, które odstraszają ptaki. W aparaturze ABB wykorzystywanej w procesie dystrybucji energii w krajach tropikalnych, gdzie linia energetyczna przebiega przez dżunglę, stosowane są izolatory wykonane z silikonu. Takie podzespoły stanowią bardzo interesujący obiekt dla papug. I w ramach projektu, wspólnie z Uniwersytetem Rolniczym w Krakowie, szukaliśmy receptury na pokrycie izolatora, która odstraszałaby ptaki od dziobania izolatorów.

R.S.: One tych elementów nie zjadają, ale skutecznie je niszczą. Ścierają na tym dzioby.

A.R.: W trakcie realizacji projektu znacząco poszerzyliśmy swoją wiedzę na temat aspektów życia papug. One są tak ciekawskie, że zawsze sprawdzają, co nowego pojawiło się w ich otoczeniu.

Kakadu

I jaki był efekt prac?

A.R.: Udało nam się znaleźć materiał, którego można użyć do pokrycia izolatorów. Jest to oczywiście materiał nietoksyczny, uzyskany z wyciągów z roślin. Po przeprowadzeniu  zaawansowanych badań, a mieliśmy do tego odpowiednie stanowisko badawcze…

Praktyczne?

A.R.: Najpierw mieliśmy 24 małe nimfy, dzięki którym wyselekcjonowaliśmy materiał, który będzie najlepszy, a ostateczne testy przeprowadziliśmy na kakadu żółtoczubej, która potwierdziła nam wstępne badania.

R.S.: Niestety nie wprowadziliśmy materiału do produkcji, bo jest to problem niszowy, w związku z tym nie mieliśmy masy krytycznej z biznesu, żeby go skomercjalizować.

A.R.: Ale temat może wrócić, bo niedawno okazało się, że izolację silikonową polubiły kruki w Chinach.

Jakie są dzisiaj ograniczenia w stosowaniu polimerów? Gdzie jest bariera, której nie można pokonać?

R.S.: Głównym problemem tworzyw termoplastycznych jest starzenie.

A.R.: Starzenie i temperatura, choć są oczywiście tworzywa wysokotemperaturowe, które mogą pracować do 400ºC, ale nadal jest to niewiele w stosunku na przykład do materiałów ceramicznych. Poszukuje się też możliwości zastąpienia stali materiałami kompozytowymi, ale tu także mamy barierę wytrzymałości mechanicznej, gdzie polimery niestety ustępują.

R.S.: I wiele z nich nie jest odpornych na długotrwałe działania promieniowania UV czy penetrację wilgoci.

Czyli nie najlepiej znoszą środowisko, gdzie jest wysoka wilgoć i bezpośrednie działanie czynników atmosferycznych, takich jak deszcz czy śnieg. Podsumowując, tradycyjne materiały – drewno, stal – wciąż mają się dobrze.

R.S.: Ale są takie tworzywa, które mogą nas oszukać, bo czasami wydaje się, że tylna klapka telefonu komórkowego jest metalowa, a okazuje się, że to metalizowany plastik.

A.R.: Mówiąc o drewnie, popukał pan w stół. To nie jest lite drewno, a laminat.

Rozmawiał Sławomir Dolecki

Cały wywiad z Robertem Sekułą oraz Andrzejem Rybakiem znajdziecie w magazynie Dzisiaj 4/17, który możecie pobrać za darmo ze strony: abb.pldzisiaj

O autorze

Sławomir Dolecki

Jestem niezależnym dziennikarzem, reporterem i redaktorem. Specjalizuję się w tematyce związanej z energetyką, infrastrukturą krytyczną i ochroną środowiska. Z firmą ABB jestem związany od roku 1998, niemal od samego początku współtworzę kwartalnik dla klientów „Dzisiaj” i magazyn dla pracowników „Flesz”.
Related stories
Skomentuj ten artykuł
Wskazówki dla społeczności