Nowe materiały do produkcji lżejszych i bardziej wytrzymałych wyrobów Uczestnicy unijnego projektu INCOM wykorzystali nanowłókna celulozowe do wzmocnienia kompozytowych struktur warstwowych przy jednoczesnej redukcji ich masy i zwiększeniu trwałości. Technologie przemysłowe © gornostay, Shutterstock W ramach finansowanego przez UE projektu INCOM (Industrial Production Processes for Nanoreinforced Composite Structures) opracowano opłacalne pod względem ekonomicznym i wykonalne pod względem technologicznym rozwiązania oraz metody produkcji lekkich struktur na bazie zaawansowanych, zrównoważonych materiałów, przeznaczonych dla branż opakowaniowej, motoryzacyjnej, lotniczej oraz sprzętu sportowego. „Zasadniczo udało nam się zaprojektować i wyprodukować lekkie, zrównoważone i trwałe kompozytowe struktury warstwowe przeznaczone do różnych zastosowań” – mówi Lisa Wikström, koordynator projektu INCOM. „Kluczem do naszego sukcesu było użycie nowych metod wytwarzania nanowłókien celulozowych (CNF, Cellulosic NanoFibre) – nanomateriału uzyskiwanego z celulozy, jaką można znaleźć w biomasie i bioodpadach – wzmacniających kompozytowe struktury warstwowe”. Lekkie struktury z rdzeniem warstwowym umożliwiają zmniejszenie masy konstrukcji kompozytowych i/lub zastąpienie surowców ropopochodnych używanych w kompozytach. Przykładowo kompozyty warstwowe mogą zastąpić monolityczne struktury używane w wielu zastosowaniach, co pozwoli ograniczyć zużycie materiałów, a tym samym zredukować masę konstrukcji i zmniejszyć ilość odpadów pozostających po zakończeniu cyklu życia produktu. Struktury warstwowe z tanim rdzeniem i powłoką zewnętrzną o zwiększonej wytrzymałości pozwolą wytwarzać lekkie i niedrogie kompozyty. Ponadto mniejsze zużycie surowców przy produkcji struktur warstwowych, w porównaniu ze strukturami monolitycznymi, zmniejsza ich wpływ na środowisko naturalne. A w przypadku sektorów transportowego i lotniczego lżejsze materiały konstrukcyjne to większa oszczędność paliwa i mniejsza emisja CO2. Wytwarzanie CNF W szczególności naukowcy opracowali gamę nowych produktów, w tym: sztywne kompozytowe pianki z włókna nanocelulozowego i biopoliuretanu, ekstrudowane i cząsteczkowe pianki na bazie polilaktydów pochodzenia biologicznego, wypełniacze typu „plaster miodu” wzmacniane włóknem celulozowym oraz poliwęglanowe wypełniacze typu „plaster miodu” o doskonałych parametrach w zakresie zachowania w przypadku pożaru i toksyczności dymu. Do produkcji, modyfikacji i przetwarzania CNF wykorzystali dwie metody. Pierwsza obejmowała fibrylację celulozy do prepolimeru w drodze mielenia w młynie koszowo-kulowym. Druga polegała na fibrylacji zmielonej, pochodzącej z bioodpadów celulozy w roztworze wodnym oraz ocenie jakościowej przy użyciu nowego narzędzia do optymalizacji procesu. Następnie przy udziale partnerów przemysłowych zespół opracował dwie instalacje pilotowe do produkcji CNF tymi dwiema metodami. Wyprodukowane w ten sposób nanowłókna CNF wzmocnione żywicą zostały użyte do wytworzenia lekkich struktur warstwowych trzech nowo opracowanych rdzeni: z ekstrudowanej pianki PU wzmocnionej CNF pochodzenia biologicznego, z termoplastycznej pianki pochodzenia biologicznego oraz z termoplastycznego wypełnienia typu „plaster miodu”. Dodatkowo w ramach projektu opracowano wykonalne pod względem przemysłowym metody produkcji. „Dowiedliśmy, że pianki poliuretanowe wzmocnione CNF sprawują się tak samo, jak powszechnie dostępne pianki PU” – twierdzi Wikström. „Odkryliśmy też, że dodanie CNF zwiększa wytrzymałość na ściskanie oraz współczynnik sprężystości pianek”. Potencjalny wpływ Wyniki uzyskane przez uczestników projektu pozwoliły opracować i ulepszyć wiele struktur kompozytowych i technologii przetwarzania, z których każda ma szansę zaistnienia na rynku. Ponadto stworzone rozwiązania doprowadziły do powstania nowych i ulepszenia istniejących metod produkcji oraz zrównoważonych i tanich demonstracyjnych wersji produktów, dzięki którym z pewnością uda się stworzyć nowe, komercyjne wyroby i rodziny produktów. „Dzięki osiągnięciom projektu INCOM przemysł kompozytowy ma teraz o wiele większe możliwości w zakresie wytwarzania – przy użyciu ulepszonych, bardziej przyjaznych dla środowiska i mniej szkodliwych procesów i materiałów – produktów o mniejszej masie, optymalnych właściwościach i lepszych możliwościach utylizacji po zakończeniu cyklu życia” – podsumowuje Wikström. „Połączenie nowych metod produkcji z nowymi materiałami i technikami obróbki powierzchni przyczyni się do opracowania nowych koncepcji i powstania nowych miejsc pracy, szczególnie w europejskiej branży rozwoju i inżynierii produktów”. Słowa kluczowe INCOM, zrównoważona produkcja, struktury z rdzeniem warstwowym, nanowłókna celulozowe, UE
