Pracownia Odzieży Ochronnej - Projekty
Streszczenie

Polimerowe materiały hybrydowe z udziałem nanocząstek do zastosowania w środkach ochrony

Kierownik projektu: dr inż. Sylwia Krzemińska

Streszczenie projektu:

 

Celem projektu badawczego była poprawa właściwości elastycznych materiałów o potencjalnym zastosowaniu do wytwarzania wyrobów ochronnych, realizowana przez  wprowadzenie do mieszanek wytypowanego kauczuku dwóch rodzajów nanocząstek, w tym pochodnych grafenu. Celem planowanym do osiągnięcia było uzyskanie materiału hybrydowego zapewniającego odpowiednią ochronę przed narażeniem na działanie substancji chemicznych i czynników mechanicznych, występujących w zróżnicowanych warunkach środowiska pracy, m.in. w sektorze rybołówstwa.

Nanocząstki poddane modyfikacji zbadano w celu określenia ich charakterystyki, ze szczególnym uwzględnieniem odległości pierwotnej pomiędzy płytkami nanonapełniacza w formie proszku. Do badań tych zastosowano przede wszystkim techniki szerokokątowego rozpraszania promieni rentgenowskich i mikroskopię sił atomowych, a także analizę elementarną, technikę spektroskopii fourierowskiej i spektroskopii Ramana. Badania techniką mikroskopii sił atomowych wykazały, że najkorzystniejszą strukturę płatków grafenowych uzyskano w przypadku grafenu otrzymanego metodą bezpośredniej eksfoliacji i tlenku grafenu. Pojedyncze płatki grafenu w większości przypadków charakteryzowały się kształtem kolistym lub podłużnym o wymiarach 200 ‒ 400 nm i wysokości 0,9 ‒ 1,4 nm. Oprócz pojedynczych płatków grafenowych odnotowano występowanie większych struktur o nieregularnych kształtach i wymiarach przekraczających 1 mm.

Opracowano skład modelowego materiału hybrydowego, który ustalono uwzględniając możliwość osiągnięcia cech ochronnych związanych z odpornością na oddziaływanie substancji chemicznych oraz cech użytkowych dotyczących odporności na ścieranie, rozdzieranie, przecięcie, przekłucie, a także korzystnych parametrów użytkowych jak masa powierzchniowa i grubość. Do wytworzenia kompozytów wytypowano karboksylowany kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy ze względu jego dobrą barierowość i zwiększoną wytrzymałość mechaniczną.

W trakcie realizacji 2. etapu projektu przeprowadzono prace związane z wytypowaniem optymalnego sposobu sieciowania karboksylowanego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego (XNBR) i aplikacją do materiału nanonapełniaczy węglowych i glinokrzemianowego. Zastosowano sieciowanie siarką, tlenkiem magnezu i sieciowanie hybrydowe: z wykorzystaniem siarki i tlenku magnezu. W dalszej kolejności wytworzono modelowe kompozyty, do których wprowadzano wytworzone w 1. etapie nanocząstki.

Otrzymane kompozyty karboksylowanego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego poddano badaniom laboratoryjnym w zakresie stopnia barierowości (odporność na oleje i działanie wody morskiej), wytrzymałości mechanicznej (odporność na przekłucie i ścieranie), właściwości użytkowych (grubość i masa powierzchniowa) oraz badań struktury obejmujących ustalenie zmian odległości między warstwami wprowadzonych napełniaczy, potwierdzenie występowania wiązań chemicznych między grupami funkcyjnymi napełniacza i matrycy polimerowej oraz charakteryzowanie topografii powierzchni materiałów.

      Do kompozytów XNBR sieciowanych hybrydowo z wykorzystaniem siarki i tlenku magnezu, wprowadzano dwa wytypowane rodzaje  nanonapełniacza węglowego: tlenek grafenu i tlenek grafenu z grupami karboksylowymi, stosując dwie różne zawartości (1 lub 2 cz. wag.).

Badania struktury kompozytów metodą skaningowej mikroskopii elektronowej, techniką mikroskopii sił atomowych i metodą szerokokątowego rozpraszania promieni rentgenowskich wykazały, że zastosowanie do mieszanki XNBR sieciowanego hybrydowo wytypowanych rodzajów nanonapełniaczy: tlenku grafenu bez grup funkcyjnych i tlenek grafenu z grupami karboksylowymi, korzystnie wpływa na strukturę kompozytów, umożliwiając odpowiednią dyspersję. Właściwości barierowe otrzymanych kompozytów były bardzo dobre. Najkorzystniejsze właściwości mechaniczne odnotowano dla XNBR sieciowanego hybrydowo z udziałem tlenku grafenu z grupami karboksylowymi w ilości 2 cz. wag. (3A GO* 2 cz. wag.). Dla tego kompozytu zaobserwowano poprawę odporności na przekłucie i ścieranie oraz wytrzymałości na zerwanie. Jedynie odporność na rozdzieranie nie była zadowalająca.

Dlatego w trakcie realizacji 3. etapu projektu podjęto prace w kierunku dalszej weryfikacji składu mieszanek XNBR w celu wytworzenia kompozytu hybrydowego zawierającego jednocześnie dwa rodzaje nanonapełniaczy: z grupy węglowych i glinokrzemianowych, spełniającego wymagania w zakresie czterech wytypowanych parametrów mechanicznych: odporności na ścieranie, rozdzieranie, przekłucie i przecięcie.

Wykonano kompozyty karboksylowanego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego o zróżnicowanym stopniu usieciowania, a następnie po przeprowadzeniu badań laboratoryjnych wytypowano optymalny wariant składu mieszanki do wprowadzenia nanonapełniaczy. W wyniku analizy wyników badań parametrów barierowych i mechanicznych kompozytów bez napełniaczy wytypowano najkorzystniejszy skład mieszanki XNBR sieciowanego siarką w ilości 1,5 cz. wag. i tlenkiem magnezu w ilości 2,5 cz. wag. w obecności 1,38 cz. wag. przyspieszacza. Do wytypowanego składu mieszanki XNBR wprowadzono dwa rodzaje nanonapełniaczy: tlenek grafenu funkcjonalizowany grupami karboksylowymi i bentonit, w  ilościach 1 lub 2 cz. wag. Stwierdzono, że przeprowadzona weryfikacja przyniosła efekty i udało się poprawić odporność na rozdzieranie do minimalnej 1. klasy ochrony ‒ co najmniej 10 N. W wyniku przeprowadzonych prac uzyskano model hybrydowego kompozytu polimerowego z udziałem nanocząstek do zastosowania w strukturach materiałów ochronnych, zapewniający ochronę przed czynnikami chemicznymi w postaci olejów mineralnych i czynnikami mechanicznymi takimi jak ścierane, rozdzieranie, przekucie i przecięcie, który spełnia wymagania dotyczące odporności na przenikanie na poziomie najwyższej 6. klasy zgodnie z PN-EN 374-1:2005 i wymagania dotyczące wszystkich czterech  parametrów charakteryzujących odporność mechaniczną na przynajmniej 1. poziomie skuteczności zgodnie z PN-EN 388:2006.

Projekt III.P.04. Wpływ rodzaju i ilości nanonapełniacza (bentonit, tlenek grafenu funkcjonalizowany grupami karboksylowymi) wprowadzonego do karboksylowanego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego (XNBR) sieciowanego hybrydowo (MgO + S + przyspieszacz =  2,5 + 1,5 + 1,38 cz. wag./100 cz. wag. kauczuku) na odporność wulkanizatów na rozdzieranie

 

Hybrydowy kompozyt polimerowy z udziałem nanocząstek jest przedmiotem zgłoszenia patentowego nr P.419470 z dn. 15.11.2016 pt. „Kompozycja elastomerowa z karboksylowanego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego”.

Przygotowano także dokumentację nanokompozytu elastomerowego wykonanego z mieszanki karboksylowanego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego (XNBR), zawierającej hybrydowy zestaw nanonapełniaczy. Przewidywane jest przekazanie dokumentacji wybranym przedsiębiorstwom w celu zainteresowania ich nowym rozwiązaniem materiałowym i podjęcia przewidywanego uruchomienia produkcji.

Wyniki projektu zostały opublikowane w 2 artykułach o zasięgu krajowym i międzynarodowym i w 1 artykule skierowanym do recenzji wydawniczej. W ramach działań upowszechniających wyniki projektu zaprezentowano na 1 konferencji międzynarodowej i 1 konferencji krajowej.

 



Jednostka: Pracownia Odzieży Ochronnej

Okres realizacji: 01.01.2014 – 31.12.2016