Wpływ warunków środowiskowych na materiały polimerowe modyfikowane aktywnym węglem pochodzenia roślinnego
Maciej Pyza*1, Artur Sowiński1, Jadwiga Gabor1, Marlena Maślanka3, Daniel Kaczor3, Andrzej S. Swinarew1, 2
1 Wydział Nauk Ścisłych i Technicznych, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Polska
2 Instytut Nauk o Sporcie, Akademia Wychowania Fizycznego im. Jerzego Kukuczki, Katowice
3 Siecz Badawcza Łukasiewicz – Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, (IMPIB)
Globalne zainteresowanie zrównoważonymi materiałami kompozytowymi nieustannie rośnie, szczególnie w kontekście ich długoterminowego wpływu na środowisko, takiego jak ograniczanie zanieczyszczenia mikroplastikiem powstającym w wyniku degradacji konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Tradycyjne materiały, takie jak ABS i PC, powszechnie stosowane w sprzęcie ratowniczym, napotykają trudności związane z odpornością na czynniki atmosferyczne oraz generowaniem zanieczyszczeń mikroplastikiem. Prowadzi to do poszukiwania alternatywnych rozwiązań, takich jak aktywny węgiel pochodzenia roślinnego – na przykład łupin orzecha włoskiego czy ziaren zielonej kawy. Tego typu modyfikator wykazuje obiecujące właściwości i poprawia parametry mechaniczne. Mimo to, trwałość takich materiałów polimerowych w warunkach rzeczywistych – poddanych działaniu promieniowania UV, słonej wody oraz wahań temperatury – nie została dotąd dostatecznie zbadana. Zrozumienie tych procesów jest kluczowe dla rozwoju materiałów przeznaczonych do zastosowań w środowisku wodnym.
Badania rozpoczęto od szczegółowej analizy materiałów przeznaczonych do zastosowań w medycynie ratunkowej. W początkowej fazie jako modyfikatory testowano krzemionkę oraz bazalt, natomiast jako matryce polimerowe wykorzystano ABS, PLA i PC. Przeprowadzone testy wykazały poprawę odporności na ścieranie w przypadku bazaltu oraz zwiększenie sztywności przy użyciu krzemionki. Następnie modyfikatory te zastąpiono aktywnym węglem, w tym węglem pochodzenia roślinnego. Łupiny orzecha włoskiego oraz ziarna zielonej kawy zostały poddane działaniu niskiego ciśnienia i podgrzewania, a następnie karbonizacji w atmosferze argonu w temperaturze do 950°C. Matryce polimerowe w formie granulatu oraz odpowiednie proporcje modyfikatorów zmieszano, a następnie przetworzono metodą wytłaczania w celu uzyskania filamentu o średnicy 1,75 mm przy użyciu głowicy liniowej. Na potrzeby druku 3D konieczne było przeprowadzenie procesu wytłaczania w określonym reżimie temperaturowym, który pozwalał na zachowanie właściwości materiału – wykorzystano do tego jednoślimakową wytłaczarkę o stosunku L/D wynoszącym 32:1. Następnie próbki zostały poddane działaniu symulowanych warunków środowiskowych w komorze klimatycznej, celem oceny ich trwałości i stabilności. W końcowym etapie badań przeprowadzono analizę FTIR, badania tribologiczne oraz pomiary stabilności barwy za pomocą kolorymetru, w celu monitorowania zmian właściwości materiałowych w czasie – ze szczególnym uwzględnieniem zmian w strukturze chemicznej, odporności na zużycie oraz stabilności koloru w warunkach kontrolowanych (przyspieszonych).
Wyniki przeprowadzonych badań podkreśliły istotny potencjał aktywnego węgla pochodzenia roślinnego jako modyfikatora materiałów polimerowych. Włączenie tego dodatku do matryc polimerowych, takich jak ABS, PLA i PC, wyraźnie poprawiło właściwości mechaniczne otrzymanych kompozytów. Badania tribologiczne wykazały, że materiały zawierające aktywny węgiel cechowały się zwiększoną odpornością na zużycie, a także zauważalnym obniżeniem współczynnika tarcia, co świadczy o ich wyższej trwałości w warunkach eksploatacyjnych. Analiza FTIR ujawniła zmiany w grupach funkcyjnych materiału, wskazujące na procesy utleniania i degradacji wynikające z oddziaływania środowiskowego. Dodatkowo, testy stabilności barwy wykazały, że próbki zmodyfikowane węglem zachowały stałą kolorystykę w porównaniu do próbek referencyjnych, co sugeruje lepszą odporność na promieniowanie UV i warunki atmosferyczne. Podsumowując, uzyskane wyniki wskazują, że materiały modyfikowane aktywnym węglem mogą stanowić skuteczną alternatywę dla tradycyjnych tworzyw sztucznych – oferując lepsze właściwości użytkowe w wymagających środowiskach, przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji mikroplastiku dzięki zwiększonej podatności na biodegradację.
