Nadający się do recyklingu polietylen diagnozuje uszkodzenia i izoluje kable
Tworzywa sztuczne stosowane w wytrzymałych kompozytach, powłokach i izolatorach elektrycznych wysokiego napięcia często nie nadają się do recyklingu, ponieważ zaprojektowano je tak, aby po utwardzeniu nie topiły się ani nie płynęły. Ten stopień trwałości przydaje się w trakcie użytkowania, ale po jego zakończeniu może stanowić problem. Zespół projektu VIT(odnośnik otworzy się w nowym oknie), realizowanego przy wsparciu z działań „Maria Skłodowska-Curie”, pracował nad witrimerami – polimerami, które podczas użytkowania zachowują się jak tworzywa termoutwardzalne, ale po podgrzaniu mogą zmieniać kształt, nadają się do naprawy lub ponownego przetworzenia. Głównym celem było opracowanie materiałów, które łączyłyby funkcjonalność z możliwością recyklingu. W ramach projektu badacze analizowali cząsteczki optyczne mogące sygnalizować uszkodzenia, zawilgocenie lub przenikanie wilgoci, opracowywali samodiagnozujące się i samonaprawiające folie oraz testowali systemy izolacji kabli wysokiego napięcia oparte na polietylenie. Projekt nawiązuje do badań europejskich prowadzonych na szerszą skalę, dotyczących polimerów termoutwardzalnych nadających się do recyklingu i witrimerów do wymagających zastosowań w kompozytach.
Tworzywa sztuczne nadające się do recyklingu z wbudowaną funkcją sygnalizowania uszkodzeń
Jednym z rezultatów projektu było stworzenie zestawu materiałów, które uwidaczniają naprężenia, zarysowania, zawilgocenie lub dostęp tlenu poprzez widoczną zmianę koloru lub fluorescencji. Roberta Pinalli, koordynatorka projektu VIT, wyjaśnia: „Dzięki naszym cząsteczkom optycznym zwanym mechanoforami możliwe jest wykrycie uszkodzeń, zawilgocenia lub przenikania tlenu gołym okiem, ponieważ zjawiska te powodują wyraźną zmianę koloru”. Może to pomóc wykryć małe rysy lub mikropęknięcia zanim staną się one widoczne jako większe uszkodzenia. W wybranych systemach reakcję optyczną można zachować lub przywrócić po ponownym przetworzeniu, dzięki czemu materiały te lepiej wpisują się w koncepcję ponownego wykorzystania, naprawy i recyklingu.
Drugie życie izolacji kabli i tworzyw termoutwardzalnych
Partnerzy projektu VIT badali również bardziej praktyczne, wczesne zastosowania, w tym izolację kabli wysokiego napięcia, kompozyty i części termoutwardzalne. Konwencjonalny usieciowany polietylen jest powszechnie stosowany w izolacji kabli wysokiego napięcia, ale trudno go poddać recyklingowi. W ramach projektu przetestowano jonomery na bazie polietylenu oraz formulacje witrimeru jako możliwe alternatywy, a badania wykazały, że ich właściwości elektryczne są porównywalne z właściwościami materiałów konwencjonalnych. Najtrudniejszą do zachowania cechą po recyklingu jest wytrzymałość mechaniczna. Jak wyjaśnia Pinalli, w przypadku witrimerów na bazie polietylenu „po recyklingu zaobserwowaliśmy zwiększenie sztywności”. Sugeruje to, że materiał można poddać ponownemu przetworzeniu, jednak jego reakcja mechaniczna w dużym stopniu zależeć będzie od historii przetwarzania i warunków recyklingu. Ma to szczególne znaczenie w zastosowaniach takich jak izolacja kabli czy konstrukcyjne materiały kompozytowe, ponieważ materiały pochodzące z recyklingu również muszą zapewniać przewidywalne parametry użytkowe przez długi czas.
Dlaczego produkcja wciąż ogranicza szersze zastosowanie witrimeru?
Badacze wykazali, że wybrane samodiagnozujące się systemy witrimerów można poddać ponownej przynajmniej czterokrotnej obróbce, zachowując przy tym ich odpowiedź funkcjonalną, przy czym nie testowano dotąd większej liczby cykli przetwarzania. Po ponownym przetworzeniu materiały stały się mniej elastyczne i pod pewnymi względami słabsze mechanicznie, jednak ich sztywność zasadniczo nie zmieniła się. Twórcy projektu zaprezentowali również istotne dla przemysłu metody przetwarzania, w tym wytłaczanie reaktywne, formowanie kompresyjne i formowanie wtryskowe, na wybranych systemach na bazie polietylenu. Ustalili przy tym, że główną przeszkodą pozostaje przełożenie chemii laboratoryjnej na niezawodną produkcję. Jeśli chodzi o tę kwestię, Pinalli nie ma wątpliwości: „Największą barierę stanowi sprzęt przetwórczy, ponieważ pod względem właściwości reologicznych przetwarzanie witrimerów znacząco różni się od przetwarzania termoplastów – przede wszystkim ze względu na różnicę lepkości, która w przypadku witrimerów jest znacznie większa”. Oznacza to, że firmy mogą być zmuszone dostosować zakresy temperatur procesu, protokoły suszenia, czas przetwarzania oraz warunki mieszania. Te zmiany procesu produkcyjnego są łącznikiem między obiecującymi, nadającymi się do recyklingu tworzywami termoutwardzalnymi a rzeczywistymi produktami. Projekt VIT pokazuje, że inteligentne witrimery mogą diagnozować uszkodzenia, wspomagać ich naprawę i umożliwiać ponowne przetwarzanie. Jednak zastąpienie obecnie stosowanych, trudnych w recyklingu tworzyw termoutwardzalnych będzie wymagało długoterminowej walidacji, opracowania standardowych metod badań oraz procesów przetwarzania, które przemysł będzie mógł niezawodnie wdrożyć.
