Dr inż. Agnieszka Derewońko z Wojskowej Akademii Technicznej zbadała żywicę epoksydową modyfikowaną dodatkami organicznymi, która służy do łączenia materiałów kompozytowych. Wyniki dają nadzieję na bardziej racjonalne gospodarowanie odpadami. Zastosowanie naturalnych dodatków może przyczynić się do stworzenia biodegradowalnych kompozytów, ułatwić ponowne wykorzystanie surowców i polepszyć stan środowiska naturalnego. Badania zostały opisane w czasopiśmie „Materials”.
Kompozyty są tworzywem zbudowanym z co najmniej dwóch materiałów, które po połączeniu wykazują dużo lepsze właściwości niż każdy z tych składników z osobna. Ich największą zaletą jest duża trwałość i niewielka masa, dlatego chętnie wykorzystywane są m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i kosmicznym. Współcześnie są stosowane na bardzo dużą skalę. Materiały tego typu są trwałe, odporne na wilgoć, uszkodzenia mechaniczne i wysoką temperaturę, a także wykazują się wysoką wytrzymałością.
„Samoloty, którymi zajmowałam się w swojej pracy badawczej, mają określony resurs, czyli okres zdolności użytkowej. Potem są wycofywane i najczęściej składowane, ponieważ przeprowadzenie koniecznych modyfikacji jest zbyt kosztowne. W ten sposób powstaje duża ilość odpadów nieulegających biodegradacji. Potrzebne jest więc rozwiązanie, które umożliwi recykling materiałów kompozytowych” – mówi dr inż. Agnieszka Derewońko z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.
Gospodarka cyrkularna
W ostatnim czasie coraz większą wagę przykłada się do biodegradowalności materiałów. Głównym powodem jest kurczenie się zasobów surowców kopalnych. Poprawienie efektywności recyklingu będzie w przyszłości konieczne do zapewnienia konkurencyjności gospodarki.
„Zmierzamy w kierunku gospodarki cyrkularnej, w której recykling odgrywa kluczową rolę. W przypadku kompozytów epoksydowych do połączenia dwóch materiałów wykorzystuje się żywicę epoksydową, a istniejące technologie ponownego rozdzielania materiałów są niestety drogie i mało efektywne” – tłumaczy dr inż. Agnieszka Derewońko.
Odzyskiwanie surowców staje się coraz ważniejsze, nie tylko ze względów ekonomicznych, ale również środowiskowych. Odpady często są odpowiedzialne m.in. za zanieczyszczenie wód gruntowych. Poważnym problemem jest również wzrost emisji gazów cieplarnianych związany z produkcją nowych materiałów, co byłoby do uniknięcia przy lepszym systemie recyklingu odpadów.
„Zastanawiałam się nad problemem ponownego rozdzielania materiałów tworzących kompozyty. Pomyślałam, że najlepszym rozwiązaniem byłoby stworzenie takiego materiału, który po określonym czasie użytkowania sam by się dzielił na materiały podstawowe. Wymaga to opracowania nowego typu żywicy epoksydowej i na tym się skupiłam w swoich badaniach. Postanowiłam zrezygnować z dodatków ze źródeł kopalnych i zastosować dodatki typu organicznego” – mówi badaczka WAT.
Żywica epoksydowa
Biodegradowalne żywice epoksydowe z naturalnymi dodatkami już istnieją i są stosowane m.in. w przemyśle motoryzacyjnym. Dobrze się sprawdzają w mniej odpowiedzialnych konstrukcjach, na przykład w klejeniu wyściółki w samochodach. W przypadku tworzenia bardziej trwałych kompozytów niestety nie spełniają swojej roli. Zbyt słabo łączą ze sobą materiały, aby mogły one przejść bardzo wymagające testy, m.in. sprawdzające wytrzymałość każdego elementu konstrukcyjnego.
„W dziedzinie kompozytów obserwujemy bardzo szybki postęp. Naukowcy nie zawsze mają dostęp do najnowszych wyników badań z uwagi na rosnącą rolę tajemnicy przemysłowej. Dlatego tak ważne jest prowadzenie badań podstawowych w ośrodkach akademickich. Podjęłam je, ponieważ chcę stworzyć taką żywicę epoksydową, która pomimo zastosowania dodatków organicznych miałaby takie same parametry jak substancje stosowane dziś w konstrukcjach wysokiej odpowiedzialności, takich jak elementy konstrukcyjne w samolotach” – deklaruje dr inż. Agnieszka Derewońko.
Jako dodatków do żywicy epoksydowej badaczka użyła celulozy i oleju sojowego. Uzyskane wyniki wskazują na celowość dalszych rozszerzonych badań w zakresie testowania biodegradacji. Zaobserwowano, że etyloceluloza (EC) nie jest najlepszym dodatkiem do żywicy epoksydowej ze względu na jej słabą mieszalność. Zdecydowanie lepiej w tym obszarze wypada karboksymetyloceluloza (CMC).
„Maksymalne wartości zarówno zmierzonych odkształceń, jak i naprężeń w krzywych naprężenie – odkształcenie, większe niż dla żywicy epoksydowej, zaobserwowaliśmy dla żywic epoksydowych modyfikowanych epoksydowanym olejem sojowym. Największe naprężenia wykryliśmy dla żywicy epoksydowej E601 modyfikowanej olejem sojowym 3 phr (ESO3). Największe odkształcenia wystąpiły dla próbek epoksydowych modyfikowanych olejem sojowym 10 phr (ESO10). Uzyskane wyniki wydają się interesujące i wskazują na celowość dalszych działań. Zamierzam kontynuować badania z żywicą epoksydową modyfikowaną 3 phr epoksydowanego oleju sojowego (ESO3) i 10 phr metylocelulozy (MC10)” – mówi dr inż. Agnieszka Derewońko.
Stworzenie biodegradowalnej żywicy epoksydowej nie tylko poprawi stan środowiska i ułatwi odzyskiwanie surowców, lecz także zwiększy bezpieczeństwo państwa. Pandemia COVID-19, która spowodowała przerwanie łańcuchów dostaw w światowej gospodarce, pokazała, że dla zapewnienia stabilnego rozwoju trzeba iść w kierunku lepszego wykorzystania surowców naturalnych.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Materials” w publikacji „Mechanical Testing of Epoxy Resin Modified with Eco-Additives”. Spoza WAT w badaniach brali udział dr hab. inż. Wojciech Fabianowski i Jerzy Siczek z Wojskowego Instytutu Chemii i Radiometrii.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 3.748.
Marcin Wrzos
fot. Agnieszka Derewońko