W XXI wieku, inaczej niż miało to miejsce w wiekach poprzednich, w wielu dziedzinach naszego życia prym wiedzie ideologia tandety o efektownym wyglądzie. Dzięki temu rynek zapełniony jest tanimi, ładnymi wizualnie produktami o niskiej jakości, a przez to małej trwałości. O ile tego typu filozofia jest mniej dokuczliwa w przypadku odzieży, obuwia, dziecięcych zabawek, czy nawet niektórych samochodów osobowych (!), to niedopuszczalne jest, by produkty przemysłu budowlanego wytwarzane były z podobnym nastawieniem. Stąd też w wielu jednostkach badawczych prowadzone są eksperymenty nad zwiększaniem wytrzymałości i żywotności stosowanych przez przemysł budowlany materiałów, by te jak najdłużej zachowywały optymalne parametry fizykochemiczne. Materiały stosowane w przemyśle, w tym i w budownictwie, narażone są często na przypadkowe uszkodzenia mechaniczne, które choć niewielkie, a czasami tylko powierzchniowe, mogą w którymś momencie zaważyć na stabilności całej konstrukcji, przyczyniając się do katastrofy budowlanej. Często z powodu mikroskopijnych wad materiałów konieczna jest bardzo droga i skomplikowana naprawa lub wymiana całych elementów na nowe. Z drugiej strony, w budownictwie nie tylko wytrzymałość, ale i estetyka odgrywa ogromną rolę, a konieczność częstej wymiany starzejących się, zniszczonych elementów dekoracyjnych (stosowanych np. przy wykańczaniu wnętrz, czy jako nowoczesne elewacje) może znacząco podnieść koszty użytkowania budynku. Stąd też zachowanie jak najdłużej pierwotnych cech materiałów dekoracyjnych ma również ogromny wpływ na ekonomikę inwestycji budowlanej, gdyż częste remonty oznaczają finansowe straty.

A gdyby tak samo się naprawiało?
Jeszcze kilka lat temu idea samoczynnie naprawiających się materiałów lub zawsze gładkich powierzchni bliższa była powieściom z gatunku fikcji naukowej, niż realnemu życiu. Dziś w świecie naukowym głośno jest o materiałach samoczynnie naprawiających się, zaliczanych (może nieco na wyrost) do grupy materiałów „inteligentnych”. Pierwsze prace badawcze na tym polu prowadzone były na przełomie XX i XXI wieku, a od tego czasu obserwowany jest swego rodzaju naukowy boom związanych z tą tematyką. Według definicji, materiały samonaprawiające się to takie, których przypadkowe lub celowe uszkodzenie mechaniczne można w sposób prosty i szybki usunąć z wykorzystaniem samoczynnie przebiegających procesów naprawczych. Czynnik stymulujący naprawę może być zawarty wewnątrz materiału lub też aktywacja reakcji naprawczych może być zewnętrzna, np. poprzez podgrzanie materiału do odpowiednio wysokiej temperatury. Dzięki rozpowszechnieniu oraz odpowiednim właściwościom fizykochemicznym tworzyw sztucznych, polimery – popularnie nazywane plastikami – stanowią przeważającą część opracowanych materiałów „inteligentnych”. Możliwość przeprowadzenia wtórnych polimeryzacji (na drodze reakcji Dielsa-Aldera, DA), w trakcie których łańcuchy polimerowe po rozerwaniu mechanicznym ponownie ulegają połączeniu za pomocą silnych, kowalencyjnych wiązań chemicznych, tworzy podstawę mechanizmów odpowiedzialnych za samoczynną naprawę polimerowych materiałów, opracowanych przez współdziałających naukowców z University of California oraz University of Southern California (USA). Kluczowy element opracowanego materiału tworzą zawarte w łańcuchach polimerowych grupy furanowe (po cztery na łańcuch) oraz reszty imidu kwasu maleinowego (po trzy na odpowiedni łańcuch polimerowy). Obie cząsteczki reagują ze sobą tworząc w procesie Dielsa-Aldera silnie usieciowane, przezroczyste polimery. W zależności od warunków termicznych, zmienia się szybkość procesu polimeryzacji, który w optymalnej sytuacji może zachodzić stosunkowo szybko, np. w temperaturze 75 stopni Celsjusza reakcja zachodzi z wydajnością dochodzącą do 95% (+/5%) w czasie 3 godzin. Jednak przy obniżeniu temperatury reakcji do warunków określanych jako pokojowe (24 stopnie Celsjusza), czas procesu tężenia polimeru wydłuża się znacznie – do 5 dni! Powstały polimer jest przezroczysty oraz twardy, a jego właściwości fizykochemiczne zbliżone są do cech handlowo dostępnych polimerów, takich jak żywice epoksydowe czy nienasycone poliestry (gęstość, czyli masa jednego centymetra sześciennego polimeru równa jest 1,37 gram). Jedyną cechą, jaką polimer zawierający grupy furanowe i maleinoimidowe istotnie różni się od klasycznych materiałów jest to, iż nowy materiał po uszkodzeniu ulega samoczynnej naprawie! By potwierdzić swoje oczekiwania, naukowcy przeprowadzili serie testów, podczas których niszczono próbki polimeru łamiąc je lub zarysowując głęboko ich powierzchnię zewnętrzną, a następnie inicjując procedurę samoczynnej naprawy. Normalnie, procedura naprawcza wymagałaby właściwego przygotowania i zastosowania odpowiedniego kleju. W przypadku „inteligentnych” polimerów, wystarczy uszkodzone części dobrze dopasować do siebie, nieco ścisnąć i podgrzać do temperatury 120-150 stopni Celsjusza (w atmosferze azotu). Po ostudzeniu miejsce pęknięcia jest niemal zupełnie niewidoczne – mikroślady obserwowane są jedynie za pomocą mikroskopu elektronowego. Według naukowców, wytrzymałość miejsca ponownego połączenia polimerowych łańcuchów tworzących dwie części naprawionego elementu dochodzi do połowy wartości, jaką wykazywał pierwotny materiał. Może się to wydawać niewiele, lecz jest to i tak znacznie trwalsze połączenie w porównaniu do innych termicznie naprawianych polimerów (np. termoplastów).

Głębokie rysy – to już nie problem!
Powyżej opisane odkrycie amerykańskich naukowców stanowiło swego rodzaju naukowy „kamień milowy” w badaniach nad samonaprawiającymi materiałami, a wyniki stały się inspiracją naukową dla wielu wartościowych badań z zakresu chemii materiałowej. Żywice epoksydowe to powszechnie znane, niezwykle wytrzymałe materiały polimerowe, które stosowane są zarówno w budownictwie (np. kleje, posadzki), jak również w innych dziedzinach przemysłu, w tym i w przemyśle kosmicznym. Niestety, stosowane dotąd żywice epoksydowe posiadają jedną zasadniczą wadę – raz uformowane wyroby wykonane z żywicy epoksydowej nie poddają się procesom ponownego formowania, czy depolimeryzacji – tego materiału nie można dwukrotnie wykorzystać. Szczęśliwie to już historia! Chińscy naukowcy z Zhongshan University opracowali nowy skład żywicy epoksydowej, którą dzięki tej modyfikacji można termicznie naprawiać. Nowa żywica utworzona została z epoksydowej bazy, której cząsteczki zawierają zarówno standardowe dla żywic epoksydowych grupy funkcyjne oraz nowe, dodatkowe jednostki furanowe. Dodatek grup furanowych oraz wiążących się z nimi odwracalnie reagentów zawierających ugrupowania maleimidowe, zmieniły właściwości materiału epoksydowego tak, iż w przypadku uszkodzenia, wystarczy zwiększyć temperaturę polimeru, by ten samoczynnie uległ naprawie. Podobnie, jak w przypadku wcześniej wspomnianego polimeru opracowanego przez amerykańskich naukowców, za nowe właściwości żywicy epoksydowej odpowiedzialna jest reakcja Dielsa-Aldera. Podgrzanie uszkodzonej, zarysowanej powierzchni epoksydowego tworzywa sztucznego do temperatury około 120 stopni Celsjusza (przez 20 minut), a następnie obniżenie temperatury do 80 stopni i utrzymywanie jej przez 12 do 72 godzin (w zależności od głębokości naprawianej rysy), powoduje reorganizację i odtworzenie sieci połączeń polimeru, co skutkuje samoczynnym usunięciem uszkodzeń żywicy. Wstępne ogrzanie materiału do ponad 100 stopni Celsjusza ma na celu zerwanie wiązań utworzonych przez grupy furanowe i maleinoimidowe, co indukuje reakcje z udziałem rozerwanych łańcuchów polimerowych, po czym następuje ponowne połączenie się aktywowanych polimerowych grup funkcyjnych, w efekcie czego nawet niezwykle głębokie rysy zanikają i praktycznie stają się niewidoczne. Co ważne, tak utworzony materiał polimerowy może wielokrotnie ulegać samonaprawie, nawet w tych samych miejscach! Jedynym problemem jest ubytek bazy polimerowej, na skutek mechanicznego usunięcia jej w trakcie tworzenia się rysy. Jednakże odpowiednio dobrany czas zasklepiania się żywicy pozwala na niemal 100% naprawę polimeru, bez konieczności wypełniania rysy dodatkowym materiałem. Mając świadomość, iż nie zawsze możliwe jest zastosowanie tak wysokiej temperatury, koniecznej do zainicjowania samoczynnego zasklepienia się zarysowanej powierzchni żywicy epoksydowej, obecnie naukowcy pracują nad dodatkową modyfikacją składu żywicy, by ta ulegała naprawie w niższych temperaturach.

Polimerowa żywica prawie jak skóra żywego organizmu
W nauce, podobnie jak w budownictwie czy architekturze, natura często bywa inspiracją dla nowo opracowywanych rozwiązań. Tworząc nowoczesną, samoczynnie naprawiającą się żywicę epoksydową z siecią mikrokanałów, naukowcy mieli w pamięci złożoność skóry żywego organizmu oraz jej niezwykłe właściwości samoregeneracyjne. Nowa żywica epoksydowa zawiera w swej wewnętrznej strukturze sieć prostopadle ułożonych mikrokanałów o średnicy 200 mikrometrów (mikrometr to milionowa część metra), wewnątrz których zamknięto czynnik zasklepiający powstałe pęknięcia i rysy na powierzchni tworzywa sztucznego. Mikrokanały wytwarzane są nowoczesną metodą litograficzną, polegającą na rysowaniu specjalnym tuszem na kolejnych cienkich warstwach żywicy kresek o szerokości i grubości odpowiadającej rozmiarom późniejszych mikrokanałów. Następnie materiał jest podgrzewany w próżniowej suszarce, w efekcie czego tusz odparowuje, pozostawiając puste przestrzenie wewnątrz epoksydowej matrycy. Kanały wypełniane zostają monomerem, który dalej jest wykorzystywany w procesie samoczynnej naprawy tworzywa sztucznego. Następnie całość jest pokrywana warstwą żywicy epoksydowej wzbogaconej o cząstki katalizatora, który przyspiesza reakcję polimeryzacji substancji wypełniającej mikrokanały. Zarówno zamknięty w powierzchniowej warstwie żywicy epoksydowej katalizator, jak i reagujący z nim monomer wypełniający mikrokanały, zostały tak dobrane, by katalizowana reakcja polimeryzacji zachodziła w temperaturze pokojowej, czyli około 25 stopni Celsjusza. Po uszkodzeniu tworzywa sztucznego następuje wypełnienie monomerem powstałej rysy. Monomer reaguje z katalizatorem uwolnionym z powierzchniowej warstwy żywicy epoksydowej na skutek jej mechanicznego uszkodzenia. Tym samym uszkodzenie powierzchni jest konieczne do zapoczątkowania procesu polimeryzacji zamkniętych w mikrokanałach naprawczych monomerów – całość do złudzenia przypomina mechanizmy naprawy skaleczonej ludzkiej skóry. Proces jest obecnie dość długotrwały, bo do całkowitego zasklepienia rysy potrzeba nawet 12 godzin, jednakże fakt, iż reakcja zachodzi w tak niskiej temperaturze znacząco zwiększa możliwości praktycznego użycia tej prototypowej technologii. Jak zapewniają naukowcy, prace nad udoskonaleniem metody trwają i można oczekiwać ich pozytywnych efektów w postaci nowych „inteligentnych” materiałów o właściwościach samonaprawczych, przeznaczonych dla zróżnicowanych zastosowań.

Dla budownictwa trwałość to podstawa
Super nowoczesne materiały, nad którymi obecnie pracują naukowcy, prawdopodobnie już niebawem dostępne będą handlowo. W dzisiejszych czasach, zarówno ze względów ekonomicznych, jak i ekologicznych marnotrawienie materiałów budowlanych oraz stosowanie przestarzałych technologii jest po prostu nieopłacalne. Z tego też względu, nowoczesne, samoczynnie naprawiające się tworzywa sztuczne, w tym i tak powszechnie stosowane w budownictwie żywice epoksydowe, z całą pewnością już za jakiś czas stanowić będą jedyne rozsądne (z punktu widzenia trwałości) rozwiązanie technologiczne. Co więcej, koszt wytwarzania nowoczesnych materiałów tworzonych w oparciu o żywice epoksydowe nie musi być radykalnie wyższy, gdyż w większości przypadków samonaprawcze właściwości tworzywa wynikają ze zmienionego składu chemicznego i mikrostruktury, bez stosowania kosztownych dodatków. Przyszłość należy więc zdecydowanie do „inteligentnych” materiałów.

mgr Krzysztof Langer, prof. dr hab. Jerzy J. Langer
Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Fizykochemii Materiałów i Nanotechnologi
więcej na www.builder.pl
 

powrót

Liczba wyświetleń: 1061