Innowacyjne inicjatory jodoniowe do utwardzania materiałów kompozytowych typu prepreg na drodze fotoindukowanej polimeryzacji frontalnej

Jak tanio, bezpieczne i wydajnie załatać rurociąg, naprawić statek lub zreperować samolot?

Filip Petko z Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki opracowuje nowe inicjatory procesu fotoindukowanej kationowej polimeryzacji frontalnej. To reakcja, która umożliwia energooszczędne utwardzenia materiałów kompozytowych które są szeroko wykorzystywane przy konstrukcji budynków, instalacji, maszyn czy pojazdów. Inicjatory tej reakcji, zaproponowane przez Filipa Petko, mają unikatową cechę, jaką jest podwójna aktywność: fotochemiczna oraz termochemiczna. Wykorzystanie tych związków zamiast klasycznych inicjatorów jest bardziej wydajne energetycznie, bardziej opłacalne kosztowo, a także bezpieczniejsze dla zdrowia ludzi i dla środowiska. Badania są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG) w ramach działania Proof of Concept realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Do utwardzania materiałów kompozytowych o właściwościach konstrukcyjnych wykorzystywany jest m. in. chemiczny proces polimeryzacji kationowej. Aby zainicjować tę reakcję, niezbędne jest dodanie do mieszaniny utwardzalnej specjalnych związków, nazywanych inicjatorami. Związki te zaczynają być aktywne wskutek naświetlenia lub podgrzania. Obecnie kompozyty wzmacniane włóknami uzyskuje się głównie na drodze reakcji termicznych, czyli w piecach, w których materiał jest poddawany działaniu podwyższonej temperatury przez kilka lub kilkanaście godzin. Generuje to duże zużycie energii.

„Utwardzanie kompozytów na drodze reakcji fotochemicznej wymaga znacznie mniej czasu – jest to czas liczony w sekundach, a nie w godzinach. Jest to metoda stosowana zwłaszcza w różnych trudno dostępnych miejscach, jak rurociągi czy kanały, w których konieczne jest przeprowadzenie prac renowacyjnych. Wówczas wprowadza się tam materiał nieutwardzony, odpowiednio się go rozprowadza i następnie utwardza się go na miejscu. Do zainicjowania procesu utwardzania wykorzystuje się lampy o dużej mocy, zazwyczaj rtęciowe, które jednak także zużywają dużo energii. Ale zdecydowanie łatwiej jest wprowadzić w takie miejsce lampę niż np. ogrzewać cały kanał parą wodną lub gorącą wodą. Ponadto praca z parą wodną lub gorącą wodą wiąże się z zagrożeniem wypadkami i poparzeniami” – mówi Filip Petko.

Obecnie stosowane fotochemiczne utwardzanie kompozytów pozwala uzyskać materiały o niewielkiej grubości. Proces ten jest bowiem mało wydajny, a przez to ekonomicznie nieuzasadniony. Rozwiązaniem tych problemów może być wykorzystanie, w celu utwardzenia materiałów, procesu kationowej polimeryzacji frontalnej. Proces ten wyróżnia się tym, że do jego rozpoczęcia wystarczy punktowo dostarczyć bodziec inicjujący, czyli ciepło lub światło. Tworzy się wówczas front termiczny, który jest propagowany na odległości i można w ten sposób utwardzić cały materiał. Po to, żeby przebiegał bardziej wydajnie oraz dawał materiały o bardziej przewidywalnych właściwościach i o większej powierzchni, konieczne jest zastosowanie systemów inicjujących, które są w stanie zainicjować ten proces, a także podtrzymywać front propagacji. Stosuje się zatem dwa inicjatory: fotochemiczny, który generuje front i termiczny, który go podtrzymuje. Niestety związki inicjujące są substancjami o niekorzystnych właściwościach biologicznych, które przy długotrwałym stosowaniu mogą wpływać negatywnie na zdrowie i na środowisko.

„W moich wcześniejszych badaniach udało mi się otrzymać sole jodoniowe o podwójnej aktywności: foto i termochemicznej. W projekcie Proof of Concept chcę sprawdzić, czy można je zastosować jako efektywne inicjatory polimeryzacji frontalnej. Jeśli moja hipoteza się potwierdzi, do zajścia tego procesu nie będą potrzebne dwa inicjatory, lecz wystarczy jeden. Zastosowanie jednego inicjatora w mieszaninie utwardzalnej zamiast dwóch ograniczy ilość tych substancji, co będzie korzystne z punktu widzenia ekonomii, ekologii i zdrowia” – wyjaśnia Filip Petko i dodaje, że materiały kompozytowe utwardzane włóknami są wykorzystywane w bardzo wielu branżach, w zasadzie wszędzie tam, gdzie potrzebne są szybkie miejscowe naprawy. Mogą być to zarówno bezwykopowe reperacje rurociągów, z których wyciekł gaz lub woda, renowacje ciężko dostępnych elementów budynków lub instalacji, wymiana elementów w lotnictwie czy naprawy na statkach w trakcie rejsu. „Sądzę, że w przyszłości cały przemysł pozyskiwania kompozytów wzmacnianych włóknami będzie opierał się o polimeryzację frontalną, ponieważ jest ona z wielu względów korzystniejsza niż obecnie stosowane metody” – przewiduje naukowiec.

Filip Petko jest absolwentem Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w specjalności: fotochemia i spektroskopia optyczna. W trakcie studiów zainteresował się procesem fotosyntezy, zarówno naturalnej jak i sztucznej, co zaowocowało pracą magisterską, realizowaną w ramach projektu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, dotyczącą fotokatalitycznej redukcji dwutlenku węgla. Już w trakcie studiów odbył liczne staże w jednostkach naukowych, takich jak Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni Polskiej Akademii Nauk, Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk oraz Jagiellonian Centre for Experimental Therapeutics (JCET). Podczas pobytu w IF PAN uczestniczył w realizacji projektu HOMING PLUS Fundacji na rzecz Nauki Polskiej skupiającego się na projektowanych de novo białkach fotosyntetycznych. Obecnie mgr Filip Petko pracuje na Politechnice Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki oraz w firmie Photo High Technologies.