Tworzywa sztuczne są lekkie i łatwe do formowania, ale zwykle słabo przewodzą ciepło. Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej i Politechniki Warszawskiej sprawdzili, czy materiał pochodzący z recyklingu można zmodyfikować tak, aby lepiej odprowadzał ciepło i jednocześnie zachował użyteczne właściwości mechaniczne.
Badacze wykorzystali mieszaninę zawierającą 90% odzyskanego polietylenu dużej gęstości HDPE i 10% gumy z przetworzonych opon. W materiale znajdowała się również niewielka domieszka polipropylenu, typowa dla surowców pochodzących z niedokładnie rozdzielonych odpadów. Dzięki temu badany materiał był bliższy temu, z czym można spotkać się w warunkach przemysłowych, niż czystym polimerom przygotowywanym w laboratorium.
Do takiej osnowy dodawano od 5 do 20% jednego z trzech materiałów zawierających węgiel: syntetycznych nanopłytek grafitowych, grafitu ekspandowanego albo szungitu. Wypełniacze nie pochodziły z recyklingu, ale miały nadać odzyskanemu tworzywu nowe właściwości.
Po dwukrotnym wymieszaniu składników w stanie stopionym formowano próbki i badano ich przewodność cieplną, wytrzymałość, elastyczność oraz strukturę.
Materiał bez wypełniacza miał przewodność cieplną 0,421 W/(m·K). Dodatek 20% szungitu zwiększył ją do 0,516 W/(m·K), a grafitu ekspandowanego do 1,019 W/(m·K).
Najlepszy wynik uzyskano przy zastosowaniu nanopłytek grafitowych. Przy ich zawartości wynoszącej 20% przewodność cieplna wzrosła do 1,803 W/(m·K), czyli była ponad cztery razy większa niż w materiale wyjściowym. Około czterokrotnie wzrosła również szybkość rozchodzenia się zmian temperatury.
Dlaczego nanopłytki działały najlepiej
Obserwacje pod mikroskopem elektronowym pozwoliły wyjaśnić różnice między poszczególnymi dodatkami. Nanopłytki grafitowe były dobrze rozproszone w polimerze i miejscami stykały się ze sobą, tworząc bardziej ciągłe drogi przepływu ciepła.
Grafit ekspandowany pozostawiał więcej szczelin na granicy z tworzywem, a szungit tworzył oddzielne skupiska i zawierał mniej dobrze przewodzącego węgla. W efekcie sieć przewodząca była mniej ciągła. Nanopłytki poprawiły również wytrzymałość materiału na rozciąganie. Przy zawartości 20% wzrosła ona o 43%.
Ta poprawa miała jednak swoją cenę. Kompozyt stał się mniej elastyczny. Materiał bez dodatku pękał po wydłużeniu o około 77%, natomiast najlepiej przewodzący ciepło kompozyt już przy około 8%. Stał się więc mocniejszy, ale bardziej kruchy.
Materiał nie zastąpi aluminium, ale może znaleźć inne zastosowania
Mimo poprawy parametrów nowy kompozyt nadal przewodzi ciepło około 130 razy słabiej niż aluminium. Nie zastąpi więc metalowych radiatorów w urządzeniach wydzielających duże ilości energii.
Może jednak znaleźć zastosowanie w lekkich obudowach, osłonach i innych elementach wykonywanych obecnie ze zwykłych tworzyw sztucznych, w których pożądane jest choćby częściowe rozpraszanie ciepła.
Przed ewentualnym zastosowaniem przemysłowym potrzebne są jednak dalsze badania. Należy sprawdzić trwałość i starzenie materiału oraz powtarzalność właściwości kolejnych partii surowca z recyklingu. Duża zawartość nanopłytek utrudniała także formowanie kompozytu.
Badanie nie obejmowało pełnej analizy środowiskowej. Nie wiadomo więc jeszcze, czy korzyści wynikające z wykorzystania odpadów zrównoważą energię i materiały potrzebne do wytwarzania dodatków oraz ponownego przetwarzania tworzywa.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Materials Today Communications”.
źródło: naukawpolsce.pl, Krzysztof Petelczyc
📩 Zapisz się na newsletter
Chcesz być na bieżąco z ekologicznymi treściami? Dołącz do newslettera i otrzymuj artykuły, poradniki oraz darmowe materiały do pobrania prosto na swoją skrzynkę. Dzięki nim łatwiej wprowadzisz ekologiczne zmiany w swoim życiu.
☕ Wesprzyj portal
Każdy artykuł to godziny pracy i poszukiwania rzetelnych informacji. Jeśli cenisz to, co robię, możesz postawić mi wirtualną kawę albo zostać Patronem na Patronite. Twoja pomoc daje mi siłę, by rozwijać portal, a dobra, mocna kawa wcale nie jest taka zła.
