Badania wpływu modyfikacji biodegradowalnych poliestrów alifatycznych na właściwości przetwórcze i użytkowe nowatorskich kompozycji polimerowych
Projekt uzyskał finansowanie w konkursie na granty pt. „ISKRA - budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych” realizowanym w ramach Politechnicznej Sieci VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego. Kierownikiem projektu jest prof. dr hab. inż. Iwona Zarzyka z Katedry Chemii Organicznej na Wydziale Chemicznym Politechniki Rzeszowskiej. Projekt realizowany jest przez zespół badawczy z Politechniki Białostockiej, Politechniki Lubelskiej i Politechniki Rzeszowskiej. Liderem projektu jest Politechnika Rzeszowska.
Zespół badawczy
Politechnika Białostocka: wykonawca wiodący prof. dr hab. inż. Michał Kuciej, wykonawcy: dr inż. Adam Tomczyk, dr inż. Anna Falkowska.
Politechnika Lubelska: wykonawca wiodący dr hab. inż. Tomasz Klepka, prof. PL, , wykonawcy dr inż. Monika Ostapiuk, dr inż. Aneta Tor-Świątek, mgr inż. Magda Droździel-Jurkiewicz.
Politechnika Rzeszowska: wykonawca wiodący prof. dr hab. inż. Iwona Zarzyka, wykonawcy dr inż. Karol Hęclik, dr hab. inż. Wiesław Frącz, prof. PRz, dr inż. Grzegorz Janowski, dr inż. Łukasz Bąk.
Opis projektu
Celem projektu jest wytworzenie kompozycji polimerowych na bazie kwasu poli(3-hydroksymasłowego), P3HB, który wykazuje znacznie dłuższy czas degradacji w porównaniu z innymi polimerami z grupy poli(hydroksyalkanianów). P3HB jest wytwarzanym przez bakterie biodegradowalnym polimerem odpornym na promieniowanie UV. Jednocześnie jest nierozpuszczalny w wodzie i stosunkowo odporny na hydrolizę, co odróżnia go od innych biodegradowalnych polimerów, które są albo rozpuszczalne w wodzie, albo wrażliwe na wilgoć. Wady P3HB, takie jak sztywność i łamliwość, a przede wszystkim niska stabilność termiczna, nieznacznie tylko wyższa od jego temperatury topnienia, ograniczają komercyjne wykorzystanie P3HB. Niestabilność termiczna tego polimeru podczas przetwarzania sprawia, że zastąpienie komercyjnych polimerów nieulegających biodegradacji czystym P3HB jest trudne ze względu na wąskie okno warunków przetwórstwa.
Poprawa właściwości termicznych, przetwórczych i mechanicznych P3HB zostanie osiągnięta oryginalnym sposobem opracowanym przez zespół z Politechniki Rzeszowskiej, polegającym na zmniejszeniu stopnia krystaliczności przez plastyfikację P3HB i jego kopolimerów, m.in. z kwasem 3-hydroksywalerianowym oraz z kwasem 3-hydroksyheksanowym za pomocą poliuretanów liniowych z pierścieniami aromatycznymi. W wyniku zastosowania poliuretanowego modyfikatora uzyska się nowoczesne kompozycje materiałowe na bazie P3HB, o lepszych właściwościach, które będą jednocześnie biodegradowalne. Ponadto wytworzone na bazie P3HB kompozycje polimerowe o cechach termoplastycznych będą nadal wysoko biokompatybilne tak jak niemodyfikowany P3HB, oraz nie będą wykazywać cytotoksyczności i mutagenności, co zwiększy zakres możliwości ich zastosowania. Dzięki tym unikatowym właściwościom nowe uelastycznione kompozycje polimerowe znajdą zastosowanie m.in. w biodegradowalnych materiałach opakowaniowych, a także w budownictwie i ogrodnictwie w postaci włókniny i agrowłókniny.
Przedmiotem projektu jest otrzymanie i zbadanie metodami naukowymi właściwości nowatorskich kompozycji polimerowych opartych na osnowie kwasu poli(3-hydroksymasłowego) (P3HB) i jego kopolimerów z kwasem 3-hydroksywalerianowym (PHBV) i kwasem 3-hydroksyheksanowym (PHBHHx) oraz modyfikatorze – poliuretanie liniowym z pierścieniami aromatycznymi. Zastosowanie modyfikatora poliuretanowego nie tylko pozwoli na uzyskanie pożądanej modyfikacji właściwości termicznych i mechanicznych P3HB i jego kopolimerów, lecz także wpłynie na przyśpieszenie jego biodegradacji. Dodatek polimerów hydrofilowych zwiększa bowiem absorpcję wody do masy polimeru i przyspiesza jego hydrolizę.
Projekt jest realizowany przez zespół badawczy z Wydziału Mechanicznego Politechniki Lubelskiej, Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej oraz Wydziału Chemicznego i Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. Projektowy zespół naukowy stanowią specjaliści z zakresu syntezy materiałów do nowatorskich kompozycji polimerowych, technolodzy w obszarze przetwórstwa materiałów, w szczególności polimerów, oraz naukowcy z zakresu badań materiałowych i wytrzymałościowych, podejmujący badania uznane w Polsce i na świecie za priorytetowe. Jednocześnie na uwagę zasługuje fakt wspierania rozwoju młodej kadry naukowej w poszczególnych jednostkach naukowych przez jej udział w projekcie badawczym. O sile zespołu decyduje jego potencjał naukowy – wiedza i umiejętności tworzących go naukowców oraz nowoczesna infrastruktura badawcza.
Projekt jest interdyscyplinarny i obejmuje realizację zadań w ramach dziedziny nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinach: inżynieria chemiczna, inżynieria materiałowa oraz inżynieria mechaniczna. Projekt dotyczy problematyki syntezy, kształtowania struktury i właściwości przetwórczych oraz użytkowych nowatorskich biodegradowalnych kompozycji polimerowych w postaci litej i włóknistej. Podjęcie tematu objętego projektem badawczym wynika z zapotrzebowania techniki na nowoczesne innowacyjne materiały i nowatorskie technologie proekologiczne, które oprócz dużego potencjału badawczo-naukowego mają również znaczenie aplikacyjne.
W ramach dyscypliny inżynieria chemiczna zostanie opracowana nowa metoda otrzymywania poliuretanów liniowych z pierścieniami aromatycznymi o określonej masie molowej, z udziałem różnych składników poliolowych. Uzyskane wyniki wprowadzą zbiór nowych informacji w dziedzinie syntezy poliuretanów. Zoptymalizowana metoda syntezy poliuretanów liniowych na bazie 4,4’-diizocyjanianu difenylometanu i glikoli polietylenowych będzie podstawą opracowania technologii produkcji w skali przemysłowej.
W ramach dyscypliny inżynieria materiałowa zostaną wytworzone nowatorskie, biodegradowalne kompozycje polimerowe przez mieszanie bezpośrednie z wykorzystaniem układu uelastyczniającego w procesie wytłaczania oraz wtryskiwania. Z opracowanych kompozycji polimerowych planowane jest wytworzenie wytłoczyn litych w postaci taśm i folii cienkościennej, wyprasek wtryskowych oraz wyrobów o oryginalnej strukturze przestrzennej metodą melt blowing w celu wytworzenia z włókien polimeru agrowłókniny. Nowe materiały zostaną przetestowane z użyciem nowoczesnych technik i narzędzi badawczych, m.in. tomografu cyfrowego, pod kątem homogeniczności, struktury wewnętrznej, właściwości cieplnych i stabilności termicznej.
W ramach dyscypliny inżynieria mechaniczna zostanie wykonane i zbadane nowoczesne unikatowe narzędzie przetwórczo-badawcze – głowica do stosunkowo mało poznanego procesu wytwarzania włókniny metodą melt blown. Wyznaczone zostaną również podstawowe charakterystyki wytrzymałościowe nowo otrzymanych wyrobów z kompozycji biodegradowalnych z uwzględnieniem wpływu różnego rodzaju osnowy i różnych modyfikatorów na wspomniane charakterystyki.
Wyniki planowanych badań pozwolą na potwierdzenie, że oryginalne nowatorskie kompozycje materiałowe stanowią lepszą alternatywę dla obecnie stosowanych materiałów. Wyniki badań objętych projektem będą miały istotny wkład w rozwój nauk podstawowych, w tym inżynierii chemicznej, inżynierii materiałowej i inżynierii mechanicznej, w zakresie kompleksowego i systematycznego opisu syntezy materiałów polimerowych o pożądanych właściwościach wytrzymałościowych, biodegradowalności i odpowiedniej trwałości oraz rozwoju technologii biodegradowalnych kompozycji polimerowych o wysokim stopniu innowacyjności. Może mieć to duże znaczenie dla producentów i użytkowników materiałów polimerowych w fazach projektowania, wytwarzania eksploatacji, zarówno wyrobów litych i włóknistych wytwarzanych metodą wtryskiwania i wytłaczania, jak i metodą melt blown.
Przewidywanym zastosowaniem nowych materiałów oprócz wyrobów litych będzie m.in. analiza możliwości wytwarzania biodegradowalnej agrowłókniny. Zużyta agrowłóknina podczas biodegradacji będzie uwalniać azot do gleby, dzięki czemu będzie pełnić rolę nawozu. Ze względu na zawartość azotu, porównywalną z nawozami naturalnymi, dwufunkcyjność nowej agrowłókniny będzie stanowić jej wartość dodaną.
Problemy naukowe podejmowane w ramach proponowanego projektu istotnie poszerzają wiedzę całego zespołu z zakresu nauk podstawowych oraz stanowią wsparcie w pracach o charakterze technologicznym, prowadzonych równolegle w celach wdrożeniowych. Współpraca nawiązana w ramach projektu pozwoli w krótkim czasie podnieść poziom gotowości technologicznej opracowywanych rozwiązań i będzie skutkować szybszą ścieżką komercjalizacji wyników, co niewątpliwie wpisuje się w założenia globalne projektu VIA CARPATIA, dokładnie w założenia III filaru, jakim jest komercjalizacja. Współdziałanie, dzielenie się wiedzą i umiejętnościami powoduje efekt synergii, dający większy zakres możliwości badawczych i pozyskiwania kolejnych wspólnych projektów zarówno badawczych (NCBiR, NCN, Programy Ramowe Unii Europejskiej), jak i aplikacyjnych (PARP, LAWP, PCI) oraz opracowanie wspólnych publikacji naukowych i patentów, co stanowi najważniejsze wyzwanie programu współpracy.
W dalszym etapie planowane jest podjęcie współpracy z przedsiębiorstwami działającymi w obszarze tematyki projektu celem komercjalizacji uzyskanych wyników badań i wprowadzenie na rynek udoskonalonego produktu w zakresie innowacji procesowej i innowacji produktowej.
