Materiały, które ułatwiają życie i umożliwiają postęp techniczny

Dr Joanna Pietrasik z Politechniki Łódzkiej prowadzi badania w obszarze polimerowych materiałów kompozytowych określanych mianem materiałów hybrydowych. Tłumaczy, jak są tworzone i do czego służą.
 

JAK POWSTAJĄ MATERIAŁY HYBRYDOWE
Materiały kompozytowe to układy dwu- lub wieloskładnikowe, których właściwości są całkiem odmienne od właściwości tworzących je substancji. Naukowcy mogą je projektować tak, aby spełniały ściśle określone funkcje.

W najprostszy sposób materiały hybrydowe, które w organicznym polimerze zawierają cząstki fazy nieorganicznej, otrzymuje się poprzez odpowiednie wymieszanie polimeru z cząstkami nieorganicznymi.

Dr Pietrasik wykorzystuje w swej pracy szereg polimerów zawierających krzemionkę, hydroksyapatyt czy tlenki żelaza. Jak tłumaczy, zmiana zawartości fazy nieorganicznej, jej lokalnego oraz globalnego rozmieszczenia w matrycy polimerowej, prowadzi do uzyskania różnorodnych materiałów.

Inny sposób polega na syntezie polimerów w obecności wspomnianych cząstek, co zapewnia ich dobre rozprowadzenie w matrycy polimerowej.

"Syntezuję polimery bezpośrednio z powierzchni krzemionki czy hydroksyapatytu, wykorzystując polimeryzacje rodnikową z przeniesieniem atomu (ATRP). Tak uzyskane materiały hybrydowe mogą być potencjalnie wykorzystane w wypełnieniach dentystycznych" - mówi badaczka.

Naukowiec może kontrolować postać makrocząsteczki, ponieważ w tym przypadku, aktywny łańcuch jest "żywy" ponad godzinę, a rodniki będące w centrum wzrostu tworzą się porównywalnie szybko z szybkością wzrostu łańcucha. Pozwala to na otrzymywanie polimerów o pożądanej architekturze, jak również kopolimerów niemożliwych do otrzymania metodą klasycznej (niekontrolowanej) polimeryzacji rodnikowej.

NANOWŁÓKNA DŁUGIE JAK STĄD DO SŁOŃCA
Jak zaznacza dr Pietrasik, ATRP stanowi również nowe narzędzie w nanotechnologii i inżynierii molekularnej. Kontrola postaci makrocząsteczki pozwala na uzyskanie nanoobiektów o wielkości rzędu 5 - 30 nm, o ściśle określonej i powtarzalnej morfologii.

Tego typu nanomateriały odgrywają coraz większą rolę w elektronice i optoelektronice nowych generacji. Stosowane są bowiem jako sensory, znaleźć je można w półprzewodnikach, wyświetlaczach, czy też tranzystorach.

"Różnicę pomiędzy klasycznymi materiałami i nanomateriałami można zilustrować poprzez porównanie długości pojedynczych włókien otrzymanych z 1 centymetra sześciennego prekursora" - tłumaczy badaczka.

Doktor podaje przykład włókna węglowego o średnicy porównywalnej do ludzkiego włosa, czyli około 50 mikronów. Stosuje się je m.in. przy wytwarzaniu kijów golfowych, nart, rakiet tenisowych. Otrzymane z 1 cm sześc. włókno ma długość około 500 m. Natomiast nanowłókno o średnicy około 30 nanometrów ma długość około 1 500 000 km, czyli długość czterokrotnie większą od odległości Księżyca od Ziemi. Zmniejszenie średnicy włókna do 3 nm wydłuży je do 150 000 000 km, czyli odległości równej dystansowi od Ziemi do Słońca!

Dr Pietrasik w swojej pracy doktorskiej zajmowała się wpływem zsyntezowanych in situ napełniaczy krzemionkowych na właściwości elastomerów.

ELASTOMERY - POLIMERY O ZMIENNYCH WYMIARACH
Jak definiuje badaczka, elastomery to polimery naturalne lub syntetyczne, które posiadają zdolność zmiany swoich wymiarów w szerokim zakresie, pod wpływem zewnętrznego naprężenia rozciągającego, ściskającego lub ścinającego. Do elastomerów zaliczane są różnego rodzaje kauczuki. Dr Pietrasik zaznacza, że kauczuki powszechnie, aczkolwiek nie do końca właściwie, nazywane są gumą. Podkreśla, że guma to elastomer, który został usieciowany.

"Elastomery są polimerami charakteryzującymi się słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi - tłumaczy badaczka. - W związku z tym właściwości użytkowe przejawiają w postaci usieciowanej i zawierającej napełniacze".

Doktor wyjaśnia, że elastomery, które często sieciowane są za pomocą siarki w procesie zwanym wulkanizacją, powszechnie stosowane są w samochodach, do produkcji obuwia, pianek, pasów, uszczelek, węży, drutów, kabli, artykułów sportowych i tkanin wodoodpornych. W większości zastosowań artykuły gumowe zawierają również napełniacze, np. sadzę.

Już ponad sto lat temu zaczęto używać cząstek sadzy o rozmiarach nanometrów przy produkcji opon jako dodatku zwiększającego ich wytrzymałość. Mimo to nadal prowadzone są intensywne prace dotyczące poszukiwania nowych, lepszych, bardziej proekologicznych napełniaczy, jak również prace podstawowe mające na celu wyjaśnienie zjawiska wzmacniania elastomerów. Szczególną uwagę skupiają na sobie tzw. białe napełniacze, w tym przede wszystkim krzemionka.

Napełniacze krzemionkowe można otrzymać bezpośrednio w środowisku elastomeru. Niekiedy spełniają one również rolę substancji sieciujących. Zasadniczym problemem jest otrzymanie odpowiedniego wymieszania karbosilanów w środowisku elastomerów oraz takiego sporządzania mieszanin, który mógłby być zastosowany w praktyce.

Zazwyczaj spęcznia się elastomery w silanach lub ich mieszaninach z rozpuszczalnikami, a następnie suszy. W ramach swojej pracy doktorskiej dr Pietrasik zaproponowała rozwiązanie technologiczne polegające na zastosowaniu konwencjonalnej metody sporządzania mieszanin, za pomocą walcarki lub laboratoryjnej mieszarki zamkniętej, zatem bardziej przystępnej w praktyce przemysłowej.

"Niektóre składniki zespołów sieciujących mogą pełnić role katalizatorów. Struktura i stopień usieciowania napełniacza krzemionkowego wpływa na właściwości elastomerów" - wymienia naukowiec.

Doktor wykazała, że karbofunkcyjne elastomery mogą być efektywnie stosowane w technologii gumy. Wskazała sposoby uzyskania dobrej dyspersji napełniacza oraz zwiększenia oddziaływań międzyfazowych.