Polimer nie kończy się na produkcie – rozmowa z dr inż. Piotrem Jankowskim

Rozmowa z dr inż. Piotrem Jankowskim, Liderem Grupy Badawczej Technologii Polimerów, CeTeN

Polimery otaczają nas właściwie z każdej strony. Mamy je w jednorazowym kubku do kawy, ubraniach, meblach, pilocie do telewizora. Stanowią również elementy bardzo skomplikowanych urządzeń zarówno do zastosowań cywilnych, jak i wojskowych np. drony. To materiał XXI wieku. Tani, lekki, programowalny chemicznie, obecny w opakowaniach, medycynie, motoryzacji i elektronice. Ale chemia polimerów nie zatrzymuje się już dziś na pytaniu, jak je zrobić. Zatrzymuje się na pytaniu, co zostaje, kiedy polimer nie będzie już potrzebny, czy trafi z powrotem do reaktora co da mu drugie życie?

Dr inż. Piotr Jankowski, CeTeN, Łukasiewicz – IChP (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Piotr Jankowski kieruje w Łukasiewicz – Instytucie Chemii Przemysłowej Grupą Badawczą Technologii Polimerów w skład której wchodzi pięć sekcji: Przetwórstwa Polimerów, Syntezy i Modyfikacji Polimerów, Biomateriałów, Zaawansowanych Materiałów Polimerowych oraz Polimerów Winylowych. Razem obejmują cały zakres badań nad polimerami, od syntezy z surowców odnawialnych i pochodzących z recyklingu, przez biopolimery i materiały biodegradowalne, kompozyty, modyfikacje tworzyw pod konkretne zastosowania, aż po nowoczesne przetwórstwo. Prace prowadzone są w skali laboratoryjnej i półtechnicznej w reaktorach, mieszalnikach, urządzeniach przetwórczych. Każdy projekt od początku ma charakter aplikacyjny.

Rozmawiamy o tym, dlaczego analiza palności stała się jednym z najbardziej regulowanych obszarów europejskich, jak naprawdę projektuje się materiał, który ma drugie życie, i co zmieniła w pracy zespołu aparatura kupiona z Krajowego Planu Odbudowy.

Bezpieczeństwo materiałowe, szczególnie palność, to dziś jeden z najszybciej zmieniających się regulacyjnie obszarów. Dlaczego stał się tak gorący?

Polimery są wszędzie, dla przykładu w transporcie, budownictwie, elektronice, meblarstwie a wymagania regulacyjne są coraz bardziej restrykcyjne. Wraz z rosnącymi wymaganiami regulacyjnymi i technologicznymi funkcjonalizacja tworzyw staje się jednym z kluczowych elementów projektowania nowoczesnych materiałów polimerowych.

Dla przemysłu oznacza to potrzebę szybszego opracowywania materiałów o stabilnych i powtarzalnych parametrach oraz potwierdzonym bezpieczeństwie użytkowania. Dla jednostek badawczych to konieczność łączenia kompetencji materiałowych, analitycznych i procesowych w jednym środowisku badawczo-rozwojowym. W wielu zastosowaniach problemem nie jest dziś uzyskanie pojedynczego parametru materiału. Wyzwaniem staje się połączenie wielu wymaganych dla danej aplikacji takich jak ograniczenie palności, zachowanie przy tym innych cech użytkowych, stabilności i łatwość procesu otrzymywania, możliwości skalowania technologii bez pogorszenia właściwości użytkowych tworzywa.

Kalorymetr stożkowy (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Ograniczenie palności to jedno z fundamentalnych zadań przy projektowaniu materiałów polimerowych. Nie chodzi już tylko o to, żeby materiał wolno się zapalał, ale także ile ciepła wydziela, jakie gazy emituje, jak się rozkłada w wysokiej temperaturze. Każdy z tych parametrów trzeba zbadać osobno. W Łukasiewicz – Instytucie Chemii Przemysłowej funkcjonalizacja tworzyw realizowana jest poprzez równoczesne opracowywanie składu materiału, procesu technologicznego jego otrzymywania oraz metod weryfikacji jego parametrów. Dysponujemy aparaturą, która pozwala szczegółowo prześledzić cały proces spalania to znaczy określić czy i jak tworzywo spala się w atmosferze powietrza, zbadać ilość wydzielanego ciepła, emisję dymu i gazów, zidentyfikować konkretne produkty rozkładu. Dzięki temu projektujemy rozwiązania bardziej bezpieczne, proekologiczne i zgodne z wymaganiami, które same w sobie są celem ruchomym.

Polimer w użyciu pracuje w różnych warunkach: grzeje się, schładza, pracuje pod obciążeniem. Jak dodatki ograniczające palność wpływają na właściwości użytkowe polimeru?

Tak właśnie patrzymy na materiał. Nie statycznie, tylko w funkcji temperatury i obciążenia. Trzeba wiedzieć, w jakiej temperaturze polimer mięknie, w jakiej traci wytrzymałość, kiedy zaczyna się rozkładać. W przypadku materiałów o podwyższonych standardach bezpieczeństwa końcowy efekt nie zależy wyłącznie od zastosowanego dodatku funkcjonalnego. Szczególnie wyraźnie widać to w obszarze odporności ogniowej i ograniczenia palności tworzyw. O skuteczności systemu ogniochronnego decydują m.in.: sposób wprowadzenia dodatku do matrycy polimerowej, kompatybilność i dyspersja dodatków w materiale,  zachowanie materiału pod wpływem temperatury, stabilność układu podczas przetwórstwa, mechanizm degradacji termicznej. Sam dobór dodatku nie gwarantuje jeszcze uzyskania oczekiwanych parametrów. Znaczenie ma sposób jego współpracy z polimerem oraz zachowanie materiału w rzeczywistych warunkach użytkowania i przetwórstwa. Dopiero złożenie tych informacji daje obraz, czy materiał nadaje się do konkretnego zastosowania. To codzienność naszego laboratorium analiz termicznych.

Czym są bezhalogenowe systemy ogniochronne i jakie problemy rozwiązują w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami?

Z pewnością pozostają jednym najważniejszych kierunków rozwoju materiałów polimerowych ograniczających palność. Rosnące wymagania regulacyjne powodują stopniowe ograniczanie stosowania halogenowych środków zmniejszających palność. Jednocześnie producenci nadal muszą spełniać restrykcyjne standardy bezpieczeństwa pożarowego materiałów oraz ograniczać emisję dymu i toksycznych produktów spalania, szczególnie w sektorach infrastrukturalnych, transportowych i elektronicznych.

W praktyce wymaga to opracowywania materiałów, które łączą zgodność środowiskową z wysoką skutecznością działania i stabilnością parametrów procesowych. Materiał, który osiąga dobre wyniki w skali laboratoryjnej, nie zawsze zachowuje te same właściwości w procesie przemysłowym. W wielu przypadkach to właśnie etap skalowania decyduje o powodzeniu wdrożenia technologii. W Instytucie rozwijajmy bezhalogenowe systemy ograniczające palność, technologie kapsułkowania dodatków funkcjonalnych, modyfikacje kompozycji polimerowych pod kątem konkretnych właściwości i zastosowań przemysłowych, rozwiązania zwiększające efektywność dodatków w różnych grupach polimerów. Dla przemysłu liczy się przede wszystkim zdolność materiału do przejścia branżowych testów i procedur certyfikacyjnych. Aby było to możliwe, konieczne jest wcześniejsze, precyzyjne zbadanie modyfikowanego tworzywa w laboratorium.

Co decyduje o powodzeniu wdrożenia materiału?

Dla przemysłu istotny jest nie tylko wynik badań, ale również możliwość ograniczenia czasu i ryzyka związanego z wdrożeniem nowego materiału.

Odpowiednio opracowana funkcjonalizacja tworzyw pozwala ograniczyć liczbę iteracji projektowych, zmniejszyć ryzyko kosztownych poprawek oraz skrócić proces przygotowania materiału do certyfikacji i wdrożenia przemysłowego. Zwiększa również powtarzalność parametrów materiału oraz stabilność procesu podczas skalowania technologii. Takie rozwiązania znajdują zastosowanie m.in. w elektronice, motoryzacji, budownictwie, medycynie oraz sektorze opakowań.

Prace prowadzone w obszarze funkcjonalizacji tworzyw sztucznych w Łukasiewicz – IChP znajdują odzwierciedlenie również w rozwiązaniach objętych ochroną patentową. W obszarze palności obejmują one m.in. bezhalogenowe systemy ograniczające palność, kompozycje o obniżonej palności, modyfikacje polimerów i kompozytów polimerowych oraz rozwiązania wykorzystujące dodatki nieorganiczne – modyfikowany grafit, modyfikowane glinokrzemiany.

O recyklingu polimerów mówi się dużo, ale wśród inżynierów krąży zdanie, że każde kolejne przetworzenie obniża jakość, czy tak się dzieje?

Polimery pozostaną materiałem kluczowym dla wielu branż, więc tego pytania nie da się uciec. Sedno jest zatem takie, że dziś projektowanie polimeru musi od początku uwzględniać możliwość jego ponownego przetworzenia, a także coraz częściej wykorzystania surowców odnawialnych zamiast pierwotnych. Nowoczesna aparatura pozwala nam rzetelnie oceniać, co dzieje się z materiałem po wielokrotnym przetwarzaniu, i projektować formulacje zrównoważone, czyli takie, które tę degradację jakości znacząco spowalniają. Kluczową rolę odgrywa tu reaktywne wytłaczanie. To metoda, która pozwala chemicznie modyfikować polimer w trakcie samego procesu przetwórstwa. Można powiedzieć, że ratujemy parametry użytkowe w locie, jednocześnie zamykając obieg. Mamy w pełni wyposażone laboratorium do kompleksowego prowadzenia przetwórstwa tworzyw termoplastycznych, od modyfikacji składu po kształtowanie końcowych właściwości wyrobu.

Mikroplastiki znaleziono już w wodzie pitnej, w glebie. Co badacz może z tym zrobić?

Najpierw umieć je zidentyfikować. Brzmi banalnie, ale to nie jest trywialne. Cząstki mikroplastiku są małe, mają różny skład, różne pochodzenie. Dysponujemy dziś narzędziami, które pozwalają je rozpoznać, ustalić, z jakiego materiału pochodzą, i opisać ich właściwości. Bez tego nie ma rozmowy o regulacjach, monitorowaniu środowiska ani projektowaniu materiałów, które mniej go uwalniają. To obszar, który będzie zyskiwał na znaczeniu w miarę zaostrzania europejskich wymogów środowiskowych.

Laboratorium mikroskopii w podczerwieni i Ramana (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Opakowania to chyba najbardziej widoczna polimerowa część codzienności. Czego się od nich oczekuje technologicznie?

Tego, żeby chroniły to, co w środku przed tlenem, wilgocią, ditlenkiem węgla. Ocena właściwości barierowych jest absolutnie kluczowa w opakowaniach do żywności i leków, w membranach, w produktach ochronnych. Bez wiarygodnych pomiarów przepuszczalności nie da się ani kontrolować jakości, ani projektować nowych rozwiązań. To też jeden z tych obszarów, gdzie współpraca z przemysłem jest bardzo bezpośrednia, klient ma konkretną folię, konkretny problem, i konkretne oczekiwanie.

Zanim polimer trafi na halę, trzeba go najpierw bezpiecznie zsyntezować. Jak wygląda kontrola reakcji w laboratorium?

Reakcje polimeryzacji potrafią być energetycznie wymagające i „kapryśne”. Kontrolujemy je dziś z dokładnością, która jeszcze dekadę temu była zarezerwowana dla największych światowych ośrodków. Mamy reaktory laboratoryjne z pełną kontrolą parametrów, sondy do analizy in situ, czyli w trakcie reakcji, bez pobierania próbek i kalorymetrię reakcyjną, która pokazuje, ile ciepła faktycznie wydziela się w danym momencie syntezy. To pozwala nie tylko zoptymalizować proces, ale od razu ocenić jego skalowalność i bezpieczeństwo, zanim w ogóle myśli się o przeniesieniu go do większej skali.

Sama charakterystyka gotowego polimeru to osobny rozdział. Bez precyzyjnego określenia masy molowej, jej rozkładu, struktury, grup funkcyjnych, oddziaływań międzycząsteczkowych nie da się powtarzalnie produkować materiału o stałych parametrach. Tu używamy zarówno klasycznych metod spektroskopowych, jak i bardzo zaawansowanej chromatografii i spektrometrii mas.

Reaktor laboratoryjny EasyMax™ (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Spektrometr w podczerwieni FTIR z przystawką ATR (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Spektrometr UV-Vis Shimadzu 1900i (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Polichlorek winylu (PVC) bywa nazywany kontrowersyjnym polimerem. Dlaczego wciąż się nim zajmujecie?

Bo PVC nie zniknie. Jest w rurach, w izolacjach, w wykładzinach, w opakowaniach i materiałach medycznych. Pytanie nie brzmi, czy go używać, tylko jak go zaprojektować tak, żeby był lepszy. Prowadzimy kompleksowe badania nad PVC od projektowania składu i optymalizacji receptur, przez dobór technologii mieszania i przetwórstwa, po ocenę końcowych właściwości mechanicznych i użytkowych wyrobów. To pełen łańcuch, nie pojedynczy etap.

Modyfikacja polichlorku winylu (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Profilowanie optyczne materiałów polimerowych i kompozytów (Źródło: Łukasiewicz – IChP)

Jak aparatura zakupiona w ramach KPO wpłynęła na Państwa pracę?

Przede wszystkim pozwala dokładniej zrozumieć, co dzieje się w materiale. Nowy sprzęt umożliwia precyzyjniejszą analizę procesów, ograniczenie liczby prób eksperymentalnych i szybsze dochodzenie do optymalnych rozwiązań technologicznych. To przekłada się na jakość współpracy z przemysłem, bo zamiast iterować w nieskończoność, dostarczamy odpowiedź szybciej i z większą pewnością.Skala naszej działalności i obszary, w których pracujemy, mocno się przez ostatnie lata zmieniły. Konkurujemy nie tylko krajowo, ale też europejsko i światowo. Bez nowoczesnego zaplecza badawczego, aparaturowego i kompetencyjnego to byłoby niewykonalne. KPO było tu wyraźnym impulsem.

Z perspektywy zespołu liczy się też coś, o czym łatwo zapomnieć przy okazji rozmowy o sprzęcie. Nowoczesna aparatura przyciąga pracowników. Osoby z dorobkiem naukowym chcą pracować tam, gdzie jest nowoczesna infrastruktura i jednocześnie tam, gdzie ich praca trafia do przemysłu, a nie kończy się w szufladzie. Osoby te zostaną z nami po zakończeniu finansowania.

Jak będzie Pan mierzył sukces tych inwestycji za pięć lat?

Trwałą współpracą z partnerami przemysłowymi oraz renomowanymi ośrodkami naukowymi na świecie. Najważniejsze jest dla mnie to, że dziś możemy prowadzić badania na poziomie konkurencyjnym wobec czołowych ośrodków europejskich i jednocześnie realizować projekty trafiające bezpośrednio do przemysłu. Możliwa jest też kooperacja z tymi ośrodkami, w której instytut jest pełnoprawnym partnerem, a nie podwykonawcą.

Nie bez znaczenia jest również wzrost potencjału publikacyjnego naszych pracowników naukowych. Bez nowoczesnego sprzętu nie byłoby to możliwe. Wdrożenia i publikacje nie muszą stanowić dwóch rozłącznych światów. To są dwa sposoby, w których ta sama praca może mieć równie ważne znaczenie.