Jak pianki na bazie włókien mogą zastąpić polimery w sporcie, bezpieczeństwie i budownictwie?
Pianki z tworzyw sztucznych są wykorzystywane w wielu produktach, w tym w kaskach rowerowych, opakowaniach, panelach budowlanych i wyposażeniu samochodów. Wiele z tych pianek jest wykonana z polimerów pozyskiwanych z paliw kopalnych, które nie ulegają rozkładowi, przyczyniają się do zanieczyszczenia środowiska mikroplastikami i nie mogą być poddane recyklingowi. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu BreadCell(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracował proces spieniania oparty na włóknach celulozowych pochodzących z produkcji masy papierniczej. Te ekologiczne materiały zostały wykorzystane do produkcji lekkich, biodegradowalnych pianek kompozytowych, które dorównują osiągami alternatywom na bazie tworzyw sztucznych i są już testowane w sprzęcie sportowym i ochronnym.
Od płynnych zawiesin do funkcjonalnych rozwiązań
Zespół projektu BreadCell opracował nowatorską metodę przekształcania mokrych zawiesin włókien bogatych w celulozę i ksylan w porowate pianki strukturalne. Otrzymane pianki zostały przekształcone w prototypy rozwiązań obejmujące między innymi deskorolkę, kask i deskę do pływania, co pozwoliło na wykazanie ich potencjału w rzeczywistych zastosowaniach. Testy wyprodukowanego prototypu kasku wykazały jedną wyjątkową właściwość nowego materiału - zdolność pianki do zmniejszania przyspieszenia obrotowego w przypadku uderzeń w głowę, które stanowią główny czynnik ryzyka wystąpienia urazów mózgu. Badacze wykazali, że pianki BreadCell skutecznie pochłaniają i rozpraszają moment pędu. Głównym wyzwaniem inżynieryjnym było zrozumienie zachowania pianek podczas procesów schnięcia i utwardzania. „Największym zaskoczeniem było to, jak niewiele wiemy na temat analitycznego badania rozwoju porowatości podczas suszenia mokrych pianek”, zauważa Tiina Nypelö, koordynatorka projektu BreadCell.
Dopasowywanie struktury porów pod kątem wytrzymałości i stabilności
Aby lepiej zrozumieć zachowanie mechaniczne pianek, zespół wykorzystał obrazowanie przy pomocy mikrotomografii komputerowej w celu zbadania rozwoju wewnętrznej sieci porów pianki. Otrzymane w ten sposób skany 3D wykazały występowanie dużych gradientów gęstości, które bezpośrednio wpływają na wytrzymałość na ściskanie, co jest szczególnie istotne w przypadku produktów o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, takich jak kaski lub wyposażenie samochodów. Badania wykazały ponadto, że zmiany gęstości pianki zmniejszają jej pozorną sztywność. Aby rozwiązać ten problem, zespół opracował technikę meta-modelowania, łączącą dane z badań obrazowych oraz analiz naprężeń i odkształceń. Jak wyjaśnia Florian Feist, partner projektu: „Istniejące metody testowania nie pozwalają na ocenę prawdziwego potencjału mechanicznego pianki, powodują bowiem jego niedoszacowanie o ponad 50 %”. W zastosowaniach budowlanych, półhybrydowe panele wielowarstwowe, które łączą rdzenie piankowe z warstwami papieru pakowego, wykazały znacznie lepszą wytrzymałość na ściskanie, zginanie i siły ścinające. Analizy mechaniczne potwierdziły, że wielowarstwowe rozwiązania charakteryzowały się lepszymi osiągami niż sama pianka, osiągając wyższą sztywność i trwałość.
Projektowanie z myślą o bezpieczeństwie, skalowalności i ekologii
Materiały opracowane w ramach projektu BreadCell są nie tylko skuteczne, ale także bezpieczne i skalowalne. Zespół potwierdził nietoksyczność wszystkich składników i wykazał, że otrzymane produkty są biodegradowalne i nadają się do recyklingu, podobnie jak papier, zgodnie z protokołami CEPI(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zespół skupiał się na surowcach, które są już powszechnie dostępne. „Główne składniki naszych pianek są dostępne na skalę przemysłową, co jest dużą zaletą tego rozwiązania”, mówi Nypelö. Włókna celulozowe nie są produktami ubocznymi, ale głównym produktem produkcji w celulozowniach, wytwarzanym w ilości ponad 160 milionów ton rocznie. Ksylan jest również obecny w większości mas celulozowych, zwłaszcza wykorzystywanych do produkcji papieru. Duża dostępność surowców w połączeniu z zasadami bezpiecznego projektowania i zgodnością z przepisami ochrony środowiska sprawiają, że rozwiązanie BreadCell stanowi skalowalną alternatywę dla pianek syntetycznych, która znajdzie zastosowanie w opakowaniach, pojazdach, sporcie i budownictwie.
