Vědecký tým profesora Petra Lenfelda Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci se dlouhodobě zabývá výzkumem a vývojem polymerů a kompozitů s přírodními plnivy rostlinného a živočišného původu. Cílem výzkumných činností je nahradit minerální a syntetická plniva v plastových dílech přírodními materiály s dopady na konečné vlastnosti a vlastnosti z hlediska environmentu. V rámci projektu aplikovaného výzkumu Polymerní kompozitní materiály s přírodními vlákennými plnivy ve spolupráci se společností Magna Exteriors&Interiors (Bohemia) se již před deseti lety vědecký tým profesora Lenfelda věnoval hodnocení tří desítek přírodních vlákenných přísad (plniv) do matric syntetických polypropylenů pro výrobu interiérových a exteriérových dílů automobilů o různém procentuálním obsahu přírodního plniva. „Vybrali jsme zhruba desítku kompozitů, u kterých se prokázalo, že přírodní materiály zlepší užitné vlastnosti pro rozdílné aplikace od technických plastových dílů až po plastové výrobky spotřebního charakteru. Dosahovali jsme požadovaných konečných vlastností a v některých případech i snížení ceny výrobku. Důležité je, že výroba dílů s přírodními materiály podstatně méně zatěžuje životní prostředí,“ říká Petr Lenfeld s tím, že vytvořili také databázi vlastností získaných kompozitů a jejich kombinací, ze kterých lze vybrat další vhodné kompozity s přírodními vlákennými plnivy podle konkrétních požadavků průmyslové praxe. „Dokázali jsme, že vlákna kokosu, lnu, juty, banánovníku, případně kozí nebo ovčí srst mohou významně ovlivnit vlastnosti materiálů pro automobilový průmysl i jiná odvětví průmyslu. Výstupem je i několik funkčních vzorků a prototypů, materiálového složení a tři patenty,“ dodává.
Ve hře je využití odpadních surovin Člověk během svého života svou činností produkuje velké množství odpadu a přírodu velmi zatěžuje zejména takový odpad, který se dlouho rozkládá. Změna materiálů, které se v přírodě rozpadají mnoho let, na materiály s rychlým časem rozpadu (biodegradabilní), je proto velkou nadějí pro odpadové hospodářství. Proto v laboratoři FS TUL testují využití některých odpadních surovin jako plniva do polymerů. V rámci současného projektu Hybridní materiály pro hierarchické struktury (Hy-HI) se liberečtí vědci angažují v aktivitě Kompozity a nanokompozity s biodegradabilní matricí. Projektové finanční prostředky umožnily nejenom provádět výzkum v této oblasti, ale také vybudovat vlastní laboratoř přípravy a zpracování, biodegradability a stárnutí polymerů a vybavit ji moderními přístroji. „Vyvíjíme a testujeme biopolymerní materiály v prostředí za přístupu vzduchu (aerobní) a bez přístupu vzduchu (anaerobní). To znamená, že do matrice biokompozitů přidáváme přísady na přírodní bázi, třeba celulózu, nebo i odpadní suroviny, jako jsou rýžové slupky, vaječné skořápky či kávová sedlina, pro které můžeme najít další perspektivní použití,“ říká Luboš Běhálek z FS TUL. Statistiky ukazují, že jenom kávové sedliny vyprodukují lidé v Česku stovky tun za rok. Obrovské množství představuje i jeden z největších zemědělských odpadů — rýžové a pohankové slupky. „My ale můžeme využít jejich specifických vlastností, použít je jako levné plnivo do kompozitů, a získat tak nové materiály pro průmysl. Patří do zajímavých aditiv, která příznivě ovlivní konečné mechanické vlastnosti plastů, zlevňují polymerní matrici, a navíc urychlují rozklad připravených biokompozitů,“ dodává profesor Lenfeld.
Vlastní materiálové složení Na začátku měli na FS TUL výzkum a vývoj materiálového složení postavený na syntetické matrici (standardně polypropylen nebo ABS — akrylonitril- -butadien-styren) a přidávali do ní přírodní materiály a vlákna, se specifickými vlastnosti podle požadavků průmyslové praxe. V současné době zkoumají biokompozity s různým materiálovým složením a s různou velikostí částic přírodního plniva od standardních velikostí až po nanočástice a nanokrystaly. Prioritou je biodegradabilita, tedy schopnost materiálu rozložit se v určitém prostředí působením mikroorganismů. „V naší laboratoři pak účinek použitých typů přísad testujeme nejen z hlediska užitných vlastností, ale také z hlediska biodegradability, a to třeba v prostředí kompostu s rozdílným pH, vlhkostí, teplotou a koncentrací kyslíku, stejně tak jako ve vodném prostředí (sladkovodní a mořský biotop). Další možností je pozorování dlouhodobých přírodních účinků na životnost materiálu i zmiňovanou biodegradabilitu. K urychlení tohoto procesu, měření tepelného a klimatického stárnutí vyžíváme klimatickou solární komoru. Podmínky v klimatické komoře, kde jsou vzorky vystaveny určitým vlivům jen několik týdnů, odpovídají i několika rokům v reálném prostředí,“ nastiňuje průběh experimentů člen výzkumného týmu Pavel Brdlík. Biokompozitům se podle něj obecně předvídá velká budoucnost ve všech oblastech lidské činnosti. Nejvíce asi v obalové technice, spotřebním průmyslu, ale i v automobilovém průmyslu a v medicíně, která stále hledá nové materiály kompatibilní s lidskou tkání. Možnosti využití biokompozitů jsou však mnohem širší. Proto se i na FS TUL vývoj biokompozitů zintenzivňuje. „Začínali jsme s přírodními vlákennými plnivy a pokračovali přes částicová plniva až po nanoplniva. Dnes kromě standardních plniv používáme také výztuže ve formě biodegradabilní hierarchické struktury, které nám připravují kolegyně z textilní fakulty. Jedná se o pleteniny a tkaniny z různých vláken a přízí (např. bavlněných), které mají plošné (2D) nebo prostorové (3D) uspořádání. U těchto 2D nebo 3D textilních struktur využíváme efekt hustoty a výšky,“ říká profesor Lenfeld.
Ke slovu přicházejí nanoplniva V posledních letech v této oblasti výzkumu přicházejí ke slovu i nanoplniva a hierarchické nanostruktury. Díky unikátnímu mlýnu a jedinečné, několika patenty chráněné lince pro výrobu lineárního kompozitního materiálu s obsahem nanovláken, kterou společně vyvinuly liberecké týmy fakulty strojní a textilní, mají liberečtí vědci k dispozici pro své výzkumné činnosti i plniva tohoto typu. „Pomocí technologie, kde dochází buď k mletí surovin do formy nanočástic anebo k ovíjení nanovláken kolem jádra, k tepelné fixaci nanovláken a ke zvýšení adheze nanovlákenné vrstvy na jádrové přízi, bychom chtěli získat nanočástice nebo společně s kolegyněmi z naší fakulty textilní připravit textilní struktury a ty potom aplikovat do biodegradabilních matric,“ přibližuje směr budoucího výzkumu další člen týmu Martin Borůvka.
Výzkum umožňuje špičkové vybavení laboratoře Díky finanční podpoře MŠMT ČR a Evropské unie pracuje vědecký tým FS TUL ve špičkově vybavené laboratoři. Pro přípravu a granulaci kompozitních materiálů s vlastním složením používá dvoušnekovou extruzní a granulační kompaundační linku, kde dochází ke smíchání jednotlivých složek kompozitů při současné plastikaci tak, aby bylo dosaženo rovnoměrné distribuce jednotlivých komponentů ve výsledném produktu s požadovaným stupněm homogenity. Granulace se provádí vzduchovým peletizérem. Experimentální přípravě nových polymerních materiálů pro výzkumné a vývojové účely včetně přípravy testovacích vzorků a polotovarů slouží také laboratorní zařízení mikrokompaunder. Umožňuje precizní kontrolu disperze a distribuce plniv kompozitních systémů, přípravu koncentrovaných masterbatchů (přísad), sběr a zpracování reologických dat a procesních hodnot. Výstupem může být nejenom vlastní kompozitní systém, ale po připojení doplňkových jednotek i zkušební tělesa nebo fólie. „Pro přípravu a výrobu zkušebních těles a vzorků, ale i funkčních vzorků máme k dispozici vstřikovací stroj 320 C 500-170 od firmy Arburg, který nám umožňuje podle našich potřeb a požadavků výzkumných činností připravit vzorky technologií vstřikování,“ ukazuje Pavel Brdlík. Velkou chloubou fakulty je světově unikátní ultrajemný frikční mlýn umožňující přípravu nové generace plniv pro kompozitní systémy. Přístroj je vybaven patentovaným systémem neporézních keramických kotoučů o různé velikosti zrn, u kterých je možné nastavit libovolnou vůli mezi horní a spodní úvratí. „Použití těchto kotoučů při nastavení záporné mezery umožňuje výrobu ultrajemných částic a fibril v nanorozměrech. Defibrilací přírodních plniv a odpadních surovin je tak možné připravit např. nanofibrily celulózy, které svými mechanickými charakteristikami převyšují tradiční kompozitní výztuže, jako jsou skelná a kevlarová vlákna,“ říká Martin Borůvka. Ultrajemný mlýn podle něj například rozemele letáky až na nanočástice celulózy, a ty je pak možné zpátky vracet do biopolymerních matric jako plnivo a vyrábět z toho třeba fóliové materiály. Dalším špičkovým zařízením jsou analyzátory aerobní a anaerobní biodegradace pro hodnocení biodegradace materiálových a kompozitních systémů při různých aerobních (průmyslové kompostování) a anaerobních (čističky odpadních vod, skládky, bioplynové stanice) podmínkách. Přístroje slouží k měření respirační aktivity mikroorganismů, uvolňování kysličníku uhličitého a degradačních charakteristik výzkumem získaných biokompozitů, neboť materiálové složení může významným způsobem ovlivnit proces degradace. „Kromě těchto přístrojů používáme i vlastní sestavená zařízení pro dlouhodobou biodegradaci ve vodním prostředí, ve kterých jsou vytvořeny podmínky autentické pro reálné přírodní prostředí,“ konstatuje profesor Lenfeld. /Jaroslava Kočárková/
