Tworzywa przyszłości

Exton, PA – Naukowcy, którzy opracowują nowe tworzywa, mają „trzy dźwignie, za które mogą pociągać”, kiedy próbują dodać materiałom nowe właściwości. Mogą pomajsterkować z cząsteczką samego polimeru, mogą przekazać nowe właściwości poprzez technologię wypełniaczy i wzbogacania albo zastosować obie metody, jak firma GE Advanced Materials, która stosuje to podejście w swoim dziale LNP, zajmującym się specjalistycznymi kompozytami.

LEPSZA ODPORNOŚĆ: Aby jeszcze bardziej udoskonalić materiały odporne na zużywanie się, GE Advanced Materials pracuje nad dozowanymi wewnętrznie środkami smarnymi, które zapewniają większą odporność na zużywanie się przy lepszych właściwościach mechanicznych.

Znana z plastików oferujących „dodatki”, takie jak: wewnętrzne smarowanie, przewodność termiczna oraz rozpraszanie ładunków elektrostatycznych, grupa LNP planuje również wprowadzenie w najbliższych kilku latach bardziej przełomowych materiałów. Na horyzoncie widać kilka modernizacji. Firma opracowała „inteligentne” plastiki o właściwościach elektrycznych, które można tak dostosowywać, że działają jak regulatory temperatury. Firma pracuje obecnie nad komercjalizacją kolejnej generacji plastikowych materiałów przekładniowych.

Przełącznik on-off

Czy można zamienić formowany plastik w termostat? – Oczywiście, jeśli formowany jest z termostatycznych związków o dodatnim współczynniku temperatury (positive temperature coefficient – PTC) – mówi Annę Bolvari, doktor materiałoznawstwa i menedżer technologii Americas w dziale LNP kompozytów specjalistycznych.

Efekt PTC, w którym opór elektryczny wzrasta z temperaturąjest znany w przemyśle elektronicznym. Podczas gdy wiele materiałów PTC to metale lub substancje ceramiczne, istnieją również polimerowe materiały PTC, które znalazły zastosowanie w czujnikach i termisto-rach do zabezpieczeń prądowych. W tych zastosowaniach materiał zachowuje się jak bezpiecznik. Kiedy temperatura wzrośnie do wartości „wybicia”, jego mikrostruktura zmienia się, a opór elektryczny drastycznie wzrasta. Schłodzenie materiału do temperatury poniżej „progu wybicia” przywraca jego przewodność.

– W dalszym ciągu badamy działanie tego zjawiska w naszych materiałach termoplastycznych – mówi Anne Bolvari. – Przewodzące związki plastików są generalnie tworzone w taki sposób, że ich ceramiczne, grafitowe lub węglowe wypełniacze tworzą ścieżki przewodności w polimerowej matrycy.

W przypadku związków PTC wzrastająca temperatura w pewien sposób zakłóca te ścieżki – powodując, że polimer bazowy rozszerza się i wywołuje inne zmiany w mikrostrukturze plastiku. Po schłodzeniu materiału następuje „ponowne podłączenie” ścieżek przewodności. Aktualnie GE poszukuje związków, których przewodnictwo załączałoby się i wyłączało w różnych temperaturach.

GE Advanced Materials ma inne podejście do polimerów PTC niż producenci czujników. Według Nitin Apte, inżyniera i menedżera do spraw produktów globalnych LNP, obecne prace obejmują włączenie PTC do termoplastików, które można formować wtryskowo lub wytłaczać w skomplikowane trójwymiarowe kształty. W przeciwieństwie do tej metody wcześniejsze materiały PTC produkowano w postaci cienkich folii.

Aby osiągnąć termoplastyczne związki PTC, projektanci materiałów pracujący w firmie GE muszą ostrożnie dobierać żywiczną bazę, z właściwymi substancjami wypełniającymi oraz innymi dodatkami. Dostępne obecnie materiały przewodzące obejmują związki oparte na PPS, PP, polimerach ciekłokrystalicznych, nylonach, PBT oraz PEI. Anne Bolvari nie potrafi przewidzieć, czy wszystkie te materiały sprawdzą się w związkach PTC.

– Duże wyzwanie stanie przed nami wraz z materiałami i substancjami wypełniającymi, które oferują wyraźny, powtarzalny punkt przejścia – mówi Bolvari.

^{ZAŁĄCZAJĄCE SIĘ I WYŁĄCZAJĄCE PLASTIKI: Materiały opracowane przez LNP mogą wkrótce wkroczyć na arenę materiałów formowanych wtryskowo, których przewodnictwo elektryczne spada do zera, kiedy materiał osiągnie określoną temperaturę. Te materiały o „dodatnich współczynnikach temperaturowych” mogą działać jako termostaty w różnych aplikacjach.}

A to wyzwanie jest nieustanne. Apte przyznaje, że firmie brakuje dobrych kilku lat do pełnej komercjalizacji związków PTC. Ale materiały te już przyciągają uwagę. GE współpracuje z partnerami nad oceną materiałów szczególnie w aplikacjach motoryzacyjnych. Według Apte potencjalne zastosowania tych substancji obejmują obudowy lusterek, które nagrzewają się, topiąc lód i śnieg, ale wyłączają się, kiedy osiągną zbyt wysokie temperatury. Firma poszukuje również materiałów do regulacji temperatury nagrzewnic wstępnych do oleju napędowego.

Zużywanie się

GE Advanced Materials pracuje również nad opracowaniem nowych materiałów do przekładni i innych ruchomych elementów plastikowych, które doświadczają tarcia i zużywają się. – Można by pomyśleć, że rodzina materiałów przekładniowych jest dojrzała – mówi Apte. – Istnieje mnóstwo materiałów termoplastycznych, które obecnie sprawdzają się w przekładniach. Apte jednak wierzy, że kolejna generacja odpornych na zużycie materiałów powstanie na bazie udoskonaleń wewnętrznego smarowania.

Jako alternatywę dla stosowanych środków smarnych LNP oraz inni dostawcy materiałów od dawna udoskonalają materiały odporne na zużywanie się i tarcie, poprzez zastosowanie środków smarnych takich jak PTFE, silikon oraz inne własne dodatki. To nic nowego. Jednak GE pracuje ostatnio nad nowym rodzajem środka smarnego, o regulowanym dozowaniu.

Podobnie jak w przypadku wewnętrznych środków smarnych, substancje dodatkowe o regulowanym dozowaniu są rozprzestrzeniane w samym polimerze.

– W przeciwieństwie do tradycyjnych środków smarnych te nowe pozostają – bezczynne aż do momentu, w którym zostaną załączone przez połączenie temperatury i tarcia – mówi Bolvari. Nie chce zdradzić więcej na temat tych opatentowanych dodatków, twierdzi tylko, że jest to nowa forma środków smarnych.

Bolvari zauważa, że wczesne prace nad materiałami o regulowanym dozowaniu wykazują, że w zależności od bazy żywicznej są one trzy razy bardziej wytrzymałe na zużywanie się w porównaniu z materiałami wzbogaconymi w tradycyjne środki smarne.

— Otwiera to nowe drzwi — mówi Bolvari. Po pierwsze, dozowane środki smarne mogą zaoferować nowe poziomy odporności plastików na zużywanie się. Lub odporność na zużywanie może być na poziomie istniejących materiałów, lecz przy mniejszych obciążeniach. – Obecnie aby uzyskać większą odporność na zużywanie się, konieczne jest naładowanie plastików substancjami wypełniającymi – mówi Bolvari. Ale im wyższe obciążenie, tym większe prawdopodobieństwo zredukowania mechanicznych właściwości materiałów. Nowe środki smarne mogą pomóc wyjść z tego impasu.

Podobnie jak w przypadku związków PTC, nowe dozowane środki smarne nie pojawią się na arenie związków dostępnych komercyjnie jeszcze przez kilka lat. Jednak firma GE Advanced Materials będzie niedługo gotowa do testowania materiałów.

Autor: Joseph Ogando