Autoreferat - Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki ZUT

Autoreferat - Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki ZUT

Załącznik nr 3
POLITECHNIKA KRAKOWSKA im. Tadeusza Kościuszki
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
Wniosek o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego
w dziedzinie: Nauk technicznych
w dyscyplinie: Inżynieria Materiałowa
Dr inż. Stanisław Kuciel
TERMOPLASTYCZNE KOMPOZYTY POLIMEROWE
Z WŁÓKNAMI NATURALNYMI
(autoreferat)
Kraków, lipiec 2016
1
AUTOREFERAT
1. Imię i nazwisko: Stanisław Kuciel
2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe – z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania,
tytułu rozprawy doktorskiej i nazwisk osób, które pełniły funkcje promotora i recenzentów
2.1. Słuchacz dziennych studiów magisterskich (5-letnich) na Wydziale Mechanicznym
Politechniki Krakowskiej, na kierunku: Podstawowe Problemy Techniki w specjalności
Mechanika Stosowana, od 01.10.1979 r. do 30.11.1984 r.;
Obrona pracy dyplomowej, magisterskiej: w dniu 30.11.1984 r. - Temat pracy
dyplomowej magisterskiej: „Doświadczalna weryfikacja, wybranych modeli
reologicznych na przykładzie poliamdu”, promotor: Prof. dr hab. inż. Stanisław
Mazurkiewicz, recenzent: Prof. dr hab. inż. Maciej Chrzanowski,
2.2. Obrona pracy doktorskiej nt.: „Ocena własności mechanicznych i kształtowanie składu
regenerowanych poliolefin”, w dniu 15.01.1998 r. promotor: prof. dr hab. inż. Stanisław
Mazurkiewicz, recenzenci: prof. dr hab. inż. Izabella Hyla i dr hab. inż. Aleksander Muc,
Prof. PK, opinia prof. dr hab. inż. Andrzej K. Błedzki,
nr dyplomu: 1212 nadanie stopnia naukowego doktora nauk technicznych w zakresie
Budowa i Eksploatacja Maszyn, specjalność Materiałoznawstwo na posiedzeniu Rady
Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej w dniu 4 lutego 1998 r.;
3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych
Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki - Wydział Mechaniczny
Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Zakład Mechaniki Doświadczalnej:
05.1985 – 09.1988 – mechanik
10.1988 – 09.1990 – asystent naukowo-dydaktyczny
10.1990 – 03.1998 – starszy asystent naukowo-dydaktyczny
Instytut Mechaniki Stosowanej, Katedra Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki:
04.1998 – 09.2011 – adiunkt naukowo-dydaktyczny
Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Materiałów Inżynierskich:
10.2011 – do teraz – adiunkt naukowo-dydaktyczny
2
4. Wskazanie osiągnięcia naukowego, uzyskanego po otrzymaniu stopnia doktora,
stanowiącego znaczny wkład w rozwój dyscypliny Inżynieria Materiałowa:
Moim osiągnięciem naukowym stanowiącym podstawę wniosku habilitacyjnego
wynikającym z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule
naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) jest
jednotematyczny cykl publikacji nt.: Termoplastyczne kompozyty polimerowe z włóknami
naturalnymi obejmujący 15 publikacji, w tym: jedno współautorstwo monografii naukowej,
rozdział w recenzowanej książce wydawnictwa PWN oraz jeden patent stanowiący pracę
zbiorową.
Zagadnienia opisane w przedstawionym przewodniku mają charakter interdyscyplinarny
i wymagały współpracy specjalistów z różnych dziedzin. Moja rola w tych badaniach była
koncepcyjna i merytoryczna, wynikająca z pełnionych przeze mnie funkcji Kierownika
Projektu, Zadania lub Głównego Wykonawcy.
4.1. Wprowadzenie
Dominującą rolę w światowej produkcji wyrobów z materiałów polimerowych odgrywają
obecnie kompozyty polimerowe. Nowe kierunki badań podjęte na dużą skalę na początku
XXI wieku wskazują, że zastosowanie w kompozytach naturalnych napełniaczy i włókien,
takich jak: mączka drzew iglastych, włókna konopne czy lniane, łupiny orzechów (włoskich,
ananasowych czy ziemnych), a nawet słoma traw lub skorupki muszelek umożliwiają
poprawę wybranych właściwości wytrzymałościowych materiałów, a także ich cech
estetycznych oraz właściwości akustycznych lub zdolności do dyssypacji energii
mechanicznej. Dzięki nowym rozwiązaniom technologicznym od niedawna w powszechnym
użyciu są maszyny do przetwórstwa takich materiałów kompozytowych nazywanych dziś
w zależności od zastosowanego napełniacza kompozytami NFC (Natural Fiber Composites)
lub WPC (Wood Polymer Composites). Wykorzystanie naturalnych napełniaczy do produkcji
kompozytów polimerowych ogranicza zużywanie naturalnych zasobów Ziemi, wpływa na
zmniejszenie emisji CO2 oraz spełnia założenia tzw. „zielonej chemii” [1,10,12].
Celem naukowym przedstawionego cyklu publikacji było poznanie mechanizmów
odziaływań wybranych napełniaczy naturalnych z niektórymi polimerami oraz
opracowanie
funkcjonalnych
materiałów
kompozytowych
na
osnowie
termoplastycznych polimerów otrzymywanych zarówno z surowców petrochemicznych
jak i z surowców odnawialnych, a także polimerów biodegradowalnych napełnianych
włóknami i cząstkami naturalnymi.
Dokonałem oceny wpływu dodatku włókien naturalnych na zmiany właściwości
wytrzymałościowych i przetwórczych, wybrane cechy struktury nadcząsteczkowej dla oceny
stopnia jednorodności oraz wpływu na wzmocnienie, oceny efektów reologicznych oraz
możliwości dyssypacji energii mechanicznej przez kompozyty na osnowie zarówno
polimerów tradycyjnych jak i tych biodegradowalnych i pochodzących z surowców
odnawialnych.
Przedstawiony do recenzji cykl jednotematycznych publikacji pt: Termoplastyczne
kompozyty polimerowe z włóknami naturalnymi obejmuje:
3
ocenę skutków i mechanizmów wzmocnienia włóknami i cząstkami naturalnymi
kompozytów polimerowych na osnowie poliolefin i poliamidu z surowców
odnawialnych,
oraz
polimerów
biodegradowalnych
(polilaktyd,
poli(hydroksyalkanian),
poli(hydroksymaślan),
termoplastyczna
skrobia,
poli(bursztynian butylenu) oraz modyfikowany octan celulozy) [1-16]
- ustalenie warunków sporządzania i ocenę skuteczności współdziałania mieszanin
polimerowych z napełniaczami naturalnymi [5, 8, 10, 12, 14]
- badania właściwości wytrzymałościowych i przetwórczych
kompozytów
polimerowych z napełniaczami naturalnymi roślin włóknistych: pokrzywy, kenafu
i lnu [5, 7, 9, 11, 12, 13, 15, 16]
- ocenę procesów reologicznych oraz wpływu dodatku mączki drzewnej do
kompozytów na osnowie polietylenu na pełzanie wyrobów wielkogabarytowych [1, 3]
- ocenę efektu powiększania skali [1, 12]
- ocenę zdolności do dyssypacji energii mechanicznej kompozytów napełnianych
włóknami naturalnymi w zależności od rodzaju osnowy i napełniacza naturalnego [1,
2 ,5, 16]
- zaproponowanie po raz pierwszy w zastosowaniu do tworzyw polimerowych metody
Lehra do oceny trwałości zmęczeniowej kompozytów polimerach z włóknami
naturalnymi na podstawie oceny przyczyn zjawisk dehoezji oraz zmęczenia [16]
- ocenę możliwości zastosowania mieszanin poliolefin pochodzących z recyklingu
materiałowego do sporządzania na ich osnowie kompozytów z włóknami naturalnymi
[3, 8, 10]
Na szczególną uwagę zasługuje zaproponowanie na podstawie wielu badań nad oceną
zmian właściwości dynamicznych i reologicznych, oryginalnej metodyki oznaczania
przybliżonej wytrzymałości zmęczeniowej termoplastycznych kompozytów polimerowych
z krótkimi włóknami naturalnymi [1, 5, 16], ocena efektów wzmocnienia kompozytów
i podstaw zastosowania włókien lnu, kenafu i pokrzywy jako napełniaczy polimerów
biodegradowalnych (PLA, PHB, TPS) oraz pochodzących z surowców naturalnych (PEHD,
PA 10.10) [3,5,7,9,11]. Na uwagę zasługuje też opracowanie uniwersalnego modyfikatora
mineralnego wpływającego na poprawę procesu mieszania recyklatów polimerowych
z włóknami naturalnymi (zgłoszenie w Urzędzie Patentowym) [14].
W kolejnych czterech rozdziałach omówiłem krótko najważniejsze rezultaty poznawcze
przedstawionych powyżej najciekawszych czterech zagadnień badawczych.
-
4.2. Ocena zmian właściwości wytrzymałościowych przy obciążeniach zmiennych
w czasie
Kompozyty na osnowie polimerów termoplastycznych napełniane włóknami naturalnymi
rzadko były przedmiotem badań zmęczeniowych lub obserwacji zmian właściwości
wytrzymałościowych przy obciążeniach zmiennych w czasie [2, 17]. W monografii [17]
ukazanej w 2011 roku przedstawiono rezultaty badań i omówiono mechanizmy zniszczenia
zmęczeniowego kompozytów WPC i NFC dla różnych rodzajów włókien, sposobu ich
przygotowania oraz rolę procesów reologicznych przy powstawaniu zniszczenia. Do opisu
4
pełzania w trakcie zmęczenia realizowanego w próbie trójpunktowego zginania wykorzystano
proste modele reologiczne Boltzmana i Burgersa. W pracy [18] zaproponowano oryginalny
sposób oceny skutków zmęczenia za pomocą emisji akustycznej. Niestety metoda ta nie
pozwala na przewidywanie granicznej wytrzymałości zmęczeniowej. W publikacji L. Kyzioła
[19] za pomocą tradycyjnego opisu i krzywej Wohlera przedstawiono wpływ modyfikacji
drewna termoplastycznym PMM na graniczną wytrzymałość zmęczeniową oraz podjęto próbę
opisu narastającego procesu zmęczenia funkcją zależną od stopnia degradacji struktury.
W badaniach podjętych przeze mnie w 2004 r. w ramach projektu „Wpływ warunków
przetwórstwa i sposobu modyfikacji PTFE, POM oraz PA6 na ich strukturę (badania
z użyciem metod analizy obrazu) i własności fizyko-mechaniczne” którego byłem głównym
wykonawcą skupiłem się na ocenie przyczyn i analizie zjawisk towarzyszących kompozytom
z krótkimi włóknami (początkowo szklanymi i węglowymi, a następnie naturalnymi)
poddanym obciążeniom zmiennym w czasie [2, 3]. Nakładanie się na badany materiał
obciążeń zmiennych w czasie (np. sinusoidalnych) prowadzi do zmęczenia materiału,
zjawiska opisanego w XIX wieku dla określenia zniszczenia części metalowych przy
naprężeniach znacznie mniejszych od wyliczanych dla statycznych naprężeń zrywających.
W przypadkach kompozytów polimerowych zniszczenie zmęczeniowe odbywa się według
jednego z dwóch podstawowych mechanizmów [2, 16, 20]:
- poprzez propagację pęknięć (np. metale i polimery wykazujące kruche zachowanie,
takie jak poliwęglan i polimetakrylan metylu). Materiały polimerowe zawierają różne
mikroskopijne defekty (mikrokawitacja, nieciągłość materiału, linie płynięcia, linie
spoiny, itp.), które pod działaniem obciążenia mogą spowodować miejscową
koncentrację naprężeń, a w konsekwencji zwiększenia szczeliny i jej propagację, aż do
pęknięcia;
- poprzez nagrzewanie lepkosprężyste (histerezowe, szczególnie częste dla materiałów
polimerowych).
Lepkosprężyste zachowanie materiałów polimerowych powoduje, że podczas deformacji
naprężenia i odkształcenia nie występują w jednej fazie, ponieważ występuje określone
opóźnienie o kąt  co w konsekwencji powoduje powstawanie pętli histerezy mechanicznej,
której rezultatem jest dyssypacja energii mechanicznej. Zjawisko to prowadzi do akumulacji
energii wewnętrznej i wzrostu temperatury samowzbudnej materiału oraz w konsekwencji do
jego termicznego zniszczenia zmęczeniowego [2, 6,16].
O wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych na osnowie termoplastów
napełnianych krótkimi włóknami lub cząstkami naturalnymi decydują trzy występujące
równocześnie zjawiska:
- nagrzewanie się lepkosprężystej osnowy polimerowej i postępujące procesy
zmęczenia termicznego objawiające się pełzaniem całego kompozytu (jest to często
związane z postacią i stopniem krystaliczności danego polimeru)
- utrata adhezji pomiędzy osnową i włóknem spowodowana cyklicznymi naprężeniami
stycznymi na ich granicy, szczególnie często występująca w przypadku polimerów
o małej swobodnej energii powierzchniowej (np. polietylenu). Należy zauważyć, że
np. obróbka chemiczna lub płomieniowa włókien (jak zarówno niepolarnych
polimerów) powoduje korzystne zmiany struktury molekularnej powierzchni
w wyniku czego następuje zwiększenie energii powierzchniowej i zwilżalności,
5
decydujących o jakości połączenia włókna z kompozytem. Składowa polarna
swobodnej energii powierzchniowej zwiększa się ze zwiększeniem krotności obróbki
powierzchni, natomiast wytrzymałość połączeń adhezyjnych ulega zwiększeniu już
podczas pierwszej obróbki [21].
- pękanie i rozdrobnienie włókien – powoduje zmniejszenie ich długość poniżej
wartości długości krytycznej (zmniejsza się zdolność do wzmocnienia kompozytu)
[2,16].
Wiadomo również, iż sam wzrost temperatury ma wpływ na podstawowe właściwości
mechaniczne (np. naprężenie przy plastycznym płynięciu, moduł sprężystości), jak
i przemiany fazowe polimeru (temperatura zeszklenia) oraz charakter i cechy jego
mikrostruktury [2,22,23].
W pracy [3] dotyczącej oceny zmian statycznego i dynamicznego pełzania oraz energii
dyssypacji i modułu sprężystości w trakcie dynamicznych prób zmęczeniowych na
właściwości kompozytów z recyklowanego polipropylenu napełnionego dwoma rodzajami
mączki drzewnej przy dwóch różnych zawartościach masowych (10 i 20 % mas.) skupiłem
się na analizie zjawiska i ocenie zmienności mierzonych parametrów wraz z narastająca
liczbą cykli. Badania wykazały, żę nawet dodatek 10 % mas. mączki drzewnej znacząco
zmniejsza podatność na pełzanie statyczne i dynamiczne takiego kompozytu w porównaniu
do czystego polipropylenu. Zaobserwowałem również, że mniejsze cząstki mączki drzewnej
(CB120 w porównaniu z BK40/90 – J. Rettenmaier & Söhne) skuteczniej ograniczają
pełzanie oraz zmniejszają energię dyssypacji, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia
granicznej wytrzymałości zmęczeniowej oraz do uzyskania większych wartości modułu
sprężystości zmierzonych w trakcie zadawania zmiennych w czasie obciążeń. Obserwacje
mikrostruktury na przełomach próbek po zmęczeniu potwierdziły zmniejszenie adhezji
i zjawisko „pull out” dla większych włókien mączki drzewnej. Zaobserwować można było
również, że na krótko przed zniszczeniem zmęczeniowym dochodziło do gwałtownego
wzrostu energii dyssypacji, a także do zmniejszenia modułu sprężystości i wzrostu
odkształceń.
Wyznaczanie standardowych charakterystyk zmęczeniowych w postaci wykresu
Wöhlera jest długotrwałe, czasochłonne i bardzo kosztowne, stąd też wynikały moje
poszukiwania przyspieszonych metod oceny parametrów zmęczeniowych [6, 24]. Skupiłem
się na badaniach kompozytów przeznaczonych do produkcji wyrobów codziennego użytku,
w przypadku których ocena wytrzymałości na zmęczenie nowych kompozycji nie wymaga
tak restrykcyjnych warunków jak np. w przypadku kompozytów do zastosowań
w samolotach. Badania prowadziłem metodą Lehra stosowaną w badaniach zmęczeniowych
metali, pozwalająca na przybliżoną ocenę wytrzymałości zmęczeniowej materiału [6, 22].
Wykorzystuje ona zjawisko polegające na tym, iż po przekroczeniu wartości amplitudy
naprężeń zmiennych (bliskiej wytrzymałości zmęczeniowej) w badanym materiale występuje
wyraźny wzrost temperatury, odkształcenia oraz zdolności do rozproszenia energii
mechanicznej. (Istotą tej metody jest zastosowanie zmiennego obciążenia o amplitudach
rosnących i równoczesne rejestrowanie wartości wydłużenia, energii rozproszonej
i temperatury wykorzystując przyspieszoną ocenę właściwości zmęczeniowych kompozytów
zaproponowaną w pracy [25], w której ideę metody Lehra zaadoptowano do badań tworzyw
polimerowych. Podjąłem próbę wykorzystania tej metody do wyznaczania granicznej
6
wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych oraz porównania mechanizmów
zmęczeniowych termoplastycznych polimerów syntetycznych z polimerami pochodzenia
naturalnego [6, 25].
Przedmiotem moich badań [6, 7] były kompozyty wytworzone z dwóch rodzajów
granulatów: polihydroksymaślanu (PHB) z włóknami naturalnymi (pokrzywą i włóknem
końskim) oraz poliamidu 6 z cząstkami mineralnego wulkanicznego tufu. Na osnowę
biokompozytów wykorzystałem biopolimer Biomer P226 produkcji niemieckiej firmy
Biomer, który jest termoplastycznym homopoliestrem kwasu 3-hydroksybutanowego,
ulegającym całkowitej degradacji w kompoście oraz poliamid 6 (Tarnamid T-27)
produkowanego w Zakładach Azotowych w Tarnowie. Jako napełniacz stosowałem włókna
rodzimej pokrzywy oraz włosie końskie (cięte na długość ok. 4 - 6 mm). Włókna
preparowano w 5-proc. roztworze NaOH przez 30 minut, a następnie płukano i suszono.
Próbki do badań w kształcie wiosełek wytworzono metodą wtryskiwania w Zakładach
Azotowych S.A. w Tarnowie, zgodnie z normą PN-EN ISO 294-1:2002. Próby zmęczeniowe
wykonywano na maszynie wytrzymałościowej Instron typ 8511.20 z oprogramowaniem
TestWorks 4 i sterownikiem firmy MTS przy poziomie częstotliwości 5 Hz, wykonując 5000
cykli dla każdej wartości obciążenia. Dla zarejestrowanych pętli wyliczano energię
mechaniczną rozproszoną w każdym cyklu oraz przyrost wydłużenia. Poziom siły
wymuszającej ustalano w proporcji do maksymalnej siły wyznaczonej w statycznej próbie
rozciągania: dla kompozytów na osnowie poliamidu 6 na poziomie - 1,75 kN, a dla
kompozytów na osnowie naturalnego PHB - 1,0 kN. W trakcie badań rejestrowano również
temperaturę na powierzchni próbek.
Wyniki badań potwierdziły możliwość zastosowania metody Lehra do przybliżonego
oznaczania granicznej wartości wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych na
osnowie termoplastów. Graniczna wytrzymałość zmęczeniowa odniesiona do wytrzymałości
na rozciąganie kompozytów na osnowie poliamidu 6 napełnianych cząstkami wulkanicznego
tufu okazała się wyższa niż kompozytów na osnowie PHB z włóknami naturalnymi. Wzrost
temperatury samowzbudnej kompozytów na osnowie poliamidu 6 z napełniaczem
mineralnym był prawdopodobnie rezultatem spontanicznego narastania efektów dekohezji
oraz tarcia mineralnej cząstki tufu o polimerową osnowę. Większa ilość napełniacza
w kompozytach na osnowie poliamidu 6 powoduje zmniejszenie granicznej liczby cykli
wskutek zwiększenia prawdopodobieństwa pękania wiązań występujących na granicy
napełniacz - osnowa polimerowa. Natomiast proces zmęczenia w wypadku kompozytów na
osnowie termoplastycznego biodegradowalnego polimeru pochodzenia naturalnego, jakim
jest PHB przebiega bez wzrostu temperatury próbek poddanych narastającym cyklom
wymuszenia dynamicznego. Prowadzi to do wniosku, że w przypadku polimerów
pochodzenia naturalnego lub kompozytów z napełniaczami pochodzenia naturalnego
(wymaga to dodatkowych badań) proces zmęczenia wskutek mniejszych wartości tarcia
wewnętrznego przebiega inaczej, ponieważ o zniszczeniu decyduje w większym stopniu
pękanie włókien i dekohezja na granicy włókno – polimerowa osnowa, a nie wyczerpywanie
się wytrzymałości zmęczeniowej osnowy polimerowej. W każdym z tych przypadków
możemy zaobserwować zmniejszanie się wartości modułu sprężystości w trakcie kolejnych
cykli (pochylenie pętli), narastanie procesów pełzania (zwiększenie odkształceń) oraz
7
zdolności do rozpraszania energii co prowadzi do wyczerpania się nośności granicznej
i zniszczenia materiału niezależnie od wartości temperatury samowzbudnej kompozytu.
W kolejnej pracy [16] opublikowanej w 2015 roku w Journal of Polymer and
Environment przedstawiłem podstawy stosowania metody Lehra do wyznaczania
przybliżonej wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów termoplastycznych z krótkimi
włóknami oraz rezultaty najnowszych badań biodegradowalnych kompozytów na osnowie
termoplastycznej skrobi BC-LB108 (firmy FuturaMat) oraz polilkatydu Bio-Flex (firmy
FKuR) napełnianych 10 % zawartością masowo włókien lnianych przygotowanych
w Instytucie Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich w Poznaniu. Standardowe właściwości
wytrzymałościowe posłużyły do określenia parametrów do zaprogramowania zmęczeniowej
maszyny wytrzymałościowej; wykonywano po 5000 cykli na każdym z rosnących poziomów
obciążeń, rejestrując kolejne pętle histerezy mechanicznej i obliczano energię dyssypacji oraz
wzrost odkształceń, aż do uzyskania zniszczenia zmęczeniowego. Nie zaobserwowałem
znaczącego wzrostu temperatury powierzchni badanych próbek. Dodatek 10 % mas. włókien
lnu zwiększył w obu przypadkach graniczną wytrzymałość zmęczeniową, szczególnie
w przypadku kompozytu na osnowie termoplastycznej skrobi. Podobny charakter wzrostu
zarówno odkształceń jak i rozpraszanej energii zaobserwowano w trakcie narastających
procesów zniszczenia zmęczeniowego. W obu przypadkach dodatek włókien lnu spowodował
zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości przy rozciąganiu (również
tego rejestrowanego w trakcie zadawania obciążeń zmiennych w czasie), a zmniejszenie
zdolności do dyssypacji energii (pola powierzchni histerezy mechanicznej) nie doprowadziło
do obniżenia granicznej wytrzymałości zmęczeniowej co dowodzi, że charakter zmęczenia
materiału w tym przypadku nie jest wynikiem rozgrzewania polimerowej osnowy, ani pękania
włókien (co zdarza się przy dużych odkształceniach kompozytu) ale jest przede wszystkim
efektem wyciągania włókien z osnowy (ang. „pull out”) i jest spowodowane ich małą energią
swobodną w stosunku do badanych polimerów. Przy czym termoplastyczna skrobia jest
bardziej polarnym i powinowatym polimerem w stosunku do niemodyfikowanych włókien
lnu niż polilaktyd.
Podsumowując, wykonane badania potwierdziły przydatność zmodyfikowanej metody
Lehra do wyznaczania przybliżonej wartości granicznej wytrzymałości zmęczeniowej oraz
umożliwiły wyjaśnienie zjawisk i mechanizmów zniszczenia kompozytów termoplastycznych
wzmacnianych krótkimi włóknami.
4.3. Kompozyty NFC i WPC na osnowie polimerów biodegradowalnych
Ze względu na fakt, iż włókna lignocelulozowe ulegają degradacji termicznej w temperaturze
poniżej 220 ºC, jako osnowę kompozytów z włóknami naturalnymi stosuje się polimery
termoplastyczne o niższej temperaturze przetwórstwa, przede wszystkim polipropylen (PP),
polichlorek winylu (PCV) i polietylen dużej gęstości. Podejmowane są też próby
wykorzystania polistyrenu (PS) i poliamidu 6 (PA6) a także biodegradowalnych
biopolimerów i z termoplastycznej skrobi, polilaktydu, polikwasu masłowego i polilcelulozy
[26, 27]. Moje pierwsze doświadczenia z zastosowaniem napełniaczy pochodzenia
naturalnego do wytwarzania kompozytów na osnowie polimerów termoplastycznych
zdobyłem w trakcie pierwszego stażu naukowego odbytego pod kierunkiem Prof. dr hab. inż.
8
A.K. Błedzkiego na Uniwersytecie w Kassel, Niemcy (2000r.). Staż ten był związany
z kierowaniem przeze mnie grantem 7 T08E 009 18 (PB 1373/T08/2000/18): „Badania nad
właściwościami regenerowanych termoplastów i ich mieszanin w celu utylizacji typowych
odpadów tworzyw sztucznych”. W 2001 roku uczestniczyłem w tygodniowym szkoleniu
w firmach: J. Rettenmaier & Söhne (producent mączki drzewnej) i Cinncinati (wytłaczarki
i linie do przetwórstwa polimerów napełnianych włóknami naturalnymi).
W swoich badaniach skupiłem się na kompozytach na osnowie poliolefin i polimerów
biodegradowalnych, które oprócz wymaganego przedziału temperatury przetwórstwa,
charakteryzują się korzystnymi właściwościami (mała lepkość, duża wartość masowego
wskaźnika szybkości płynięcia, znaczna odkształcalność) oraz dobrą powinowatością do
naturalnych włókien.
Rezultaty badań nad wykorzystaniem poliolefin i ich recyklatów w kompozytach
napełnianymi włóknami naturalnymi zostały szeroko omówione w przygotowanej przeze
mnie monografii; „Kompozyty polimerowe na osnowie recyklatów z włóknami naturalnymi”
[34-83-7242-560-7], będącej podsumowaniem moich prac w projekcie PBZ „Gospodarka
i rozwój technicznego wykorzystania odpadów polimerowych w Polsce", realizowanego
w Politechnice Krakowskiej pod moim kierunkiem - zadanie 3.3 „Opracowanie nowych
materiałów kompozytowych z recyklatów poliolefin i polichlorku winylu napełnianych
włóknami naturalnymi lub cząstkami oraz ze zmieszanych tworzyw wtórnych”.
Dostępne na rynku biopolimery stanowią obecnie ok. 5-10 % światowej produkcji
tworzyw polimerowych [28, 29]. Polimery biodegradowalne, stanowią grupę materiałów,
która obecnie wzbudza duże zainteresowanie naukowców i przedstawicieli przemysłu, ze
względu na poszukiwanie alternatywnych dla petrochemicznych źródeł surowców oraz
materiałów przyjaznych środowisku, rozkładających się w warunkach otoczenia i nadających
się do recyklingu na drodze kompostowania. Zwiększeniu ich produkcji sprzyja również
rosnąca świadomość konsumentów, szczególnie moda na tzw. zielone opakowania. Polimery
wytwarzane z naturalnych odnawialnych źródeł, jakimi są rośliny, spełniają istotną rolę
w ograniczaniu emisji CO2 i stanowią potencjalnie najbardziej ekologiczny materiał do
produkcji opakowań, a po odpowiedniej modyfikacji mogą być stosowane w kompozytach
o właściwościach materiałów konstrukcyjnych. Jednak wprowadzenie ich na rynek wiąże się
z ograniczeniami, wśród których istotny jest stosunkowo wysoki koszt produkcji, gorsza
wydajność produkcyjna tworzyw na bazie biomasy oraz gorsze właściwości fizykomechanicze w porównaniu z polimerami na bazie surowców petrochemicznych.
Moje zainteresowanie polimerami biodegradowalnymi było związane z uczestnictwem
w latach 2006-2008 w projekcie „Foresight technologiczny w zakresie materiałów
polimerowych”, w którym byłem kierownikiem panelu W3: „Tworzywa sztuczne
w transporcie”, a także członkiem Panelu Głównego. Konsekwencją tych prac było
utworzenie konsorcjum badawczego projektu „Nowe przyjazne dla środowiska kompozyty
polimerowe z wykorzystaniem surowców odnawialnych” w ramach Poddziałania 1.3.1
Programu Operacyjnego „Innowacyjna Gospodarka” na lata 2007-2013, a finansowanego
przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego. Byłem kierownikiem Projektu w latach
2009-2012. Jednym z efektów naszych prac w ramach tego projektu było przygotowanie pod
moją współredakcją pierwszej w Polsce monografii naukowej dotyczącej biokompozytów
polimerowych „Biokompozyty z surowców odnawialnych” [12].
9
Wytwarzanie kompozytów na osnowie termoplastycznych polimerów z włóknami
roślinnymi wymaga też uwzględnienia wielu czynników dotyczących napełniaczy: długości,
rodzaju i budowy włókna, zawartości ligniny, a przede wszystkim adhezji włókna i polimeru,
które decydują o jego późniejszych właściwościach mechanicznych [30]. Pod względem
chemicznym włókna naturalne składają się głównie z celulozy, hemiceluloz, lignin oraz
pektyn, zawierają tez pewne ilości wody i wosków [31, 32]. Materiały w których zarówno
osnowa jak i napełniacze są biodegradowalne i otrzymywane z naturalnych surowców
stanowią jedną z najciekawszych, choć jeszcze mało popularnych grup biokompozytów.
Techniczne wykorzystanie czystych biopolimerów jest ciągle bardzo ograniczone ze względu
na ich zazwyczaj gorsze właściwości mechaniczne i cieplne w porównaniu z tworzywami
tradycyjnymi, zwłaszcza w odniesieniu do ich ceny [33]. Wprowadzenie do biopolimerów
napełniaczy naturalnych z jednej strony skutkuje polepszeniu właściwości i często redukcją
kosztów, z drugiej zostają zachowane takie zalety jak całkowita biopochodność materiału
i możliwość jego kompostowania lub łatwego spalania z odzyskiem energii. Dodatkowo
poprzez dobór rodzaju i ilości włókien naturalnych bądź cząstek mineralnych możliwe jest
sterowanie czasem biodegradacji.
Napełniacz pochodzenia roślinnego, zwłaszcza w postaci włókien, może spowodować
znaczna poprawa właściwości mechanicznych, przede wszystkim sztywności kompozytów
w porównaniu z do czystym biopolimerem. Na uwagę zasługuje fakt, że gęstość badanych
biokompozytów w porównaniu z gęstością tworzyw nienapełnionych, nawet przy dużym
udziale napełniacza zmienia się nieznacznie. Gęstości biopolimerów i włókien roślinnych są
zbliżone. W przeciwieństwie do włókna szklanego lub napełniaczy mineralnych, dodatek
napełniaczy roślinnych nie wpływa na ogół na zwiększenie masy wyrobu, a w przypadku
biopolimerów o dużej gęstości, np. biopolimerów na bazie celulozy, może spowodować jej
zmniejszenie.
Inną zaletą biopolimerów sprzyjającą tworzeniu ich kompozytów z włóknami
naturalnymi jest ich niska temperatura mięknienia (160 - 190 °C). Temperatura degradacji
włókien roślinnych to zazwyczaj od 190 - 220°C, co bardzo ogranicza możliwość
wprowadzania ich do tradycyjnych tworzyw petrochemicznych. Wymagających zwykle
wyższej temperatury przetwórstwa. Ponadto zarówno biodegradowalne polimery jak
i naturalne napełniacze mają charakter hydrofilowy, a w niektórych przypadkach wykazują
też chemicznie podobieństwo. Może to ułatwiać tworzenie trwałych wiązań osnowanapełniacz i ograniczać konieczność stosowania kosztownych modyfikacji chemicznych.
W mojej pracy [9,12] oceniałem wpływ różnego rodzaju włókien na uzyskiwane efekty
wzmocnienia biokompozytow: włókna kenafu są dłuższe, a w procesie kompandowania
i przetwórstwa nie pękają w takim stopniu jak włókna lnu. Włókna lnu mają mniejszą
średnicę i występują duże trudności przy ich rozdrabnianiu. Mączka drzewna ma postać
porowatych cząstek o mocno rozwiniętej powierzchni. Łatwo ulega aglomeracji, zwłaszcza w
procesie przetwórstwa polimerów o niskiej lepkości, prowadzonego w niewłaściwej
temperaturze, z pominięciem kompandowania. Śruta kukurydziana to lignocelulozowe
granulki, cząstki o znacznie większych wymiarach niż wcześniej opisane napełniacze.
Wprowadzenie tak dużych cząstek do osnowy polimerowej powoduje spadek wytrzymałości
kompozytów i wpływa wyraźnie na wzrost modułu sprężystości. Należy się liczyć z tym, że
biodegradowalne kompozyty są zazwyczaj bardzo wrażliwe na działanie wody i czynników
10
atmosferycznych. Wysoka chłonność wody jest związana nie tylko z obecnością włókien
naturalnych, ale też z nasiąkliwością samej osnowy polimerowej. Dotyczy to zwłaszcza
termoplastycznej skrobi. Wynik nasiąkliwości w wypadku osnów skrobiowych (np. dla
termoplastycznej skrobi pszenicznej) był kilkukrotnie wyższy niż w wypadku
nienapełnionych biopolimerów. Natomiast wpływ na wzrost chłonności kompozytów
w większym stopniu miała zawartość napełniacza niż jego rodzaj [35]. Chłonność wody przez
napełniacze roślinne może też powodować pęcznienie wyrobu, zmiany geometryczne oraz
znaczne zwiększenie chropowatości powierzchni. Biodegradowalne osnowy są również
często podatne na proces degradacji hydrolitycznej. Potwierdzające to przykładowe wyniki
badań zostały zamieszczone w moich pracach [9,10]. Tam został też oceniony wpływ
naturalnych napełniaczy na szybkość procesu biodegradacji.
Proces przetwarzania polimerów termoplastycznych z napełniaczami mineralnymi jest
znacznie bardziej rozpowszechniony i poznany niż z włóknami roślinnymi. Wprowadzenie
napełniaczy mineralnych do biopolimerowej osnowy daje nieco inne rezultaty niż dodatek
włókien roślinnych. Cząstki mineralne mają wyższą gęstość niż polimery, wypadkowa
gęstość kompozytu jest więc często wyraźnie wyższa niż samego tworzywa. Ich dodatek ma
jednak szczególnie korzystny wpływ na moduł sprężystości przy rozciąganiu, twardość
i właściwości termiczne. Zazwyczaj obserwuje się też ograniczenie chłonności wody przez
kompozyt co wpływa na stabilność wymiarową oraz ewentualnie spowolnienie procesu
biodegradacji [23]. Zastosowanie napełniaczy mineralnych, podobnie jak roślinnych, daje
możliwość tworzenia połączeń adhezyjnych z osnową dzięki hydrofilowemu charakterowi
powierzchni oraz nierówności powierzchni cząstek lub ich porowatości. Nie ma natomiast
ograniczeń temperatury przetwórstwa, jak w przypadku włókien roślinnych, co ułatwia proces
wytwarzania kompozytów. Zastosowanie np. tufu jako napełniacza może powodować
obniżenie chłonności wody i polepszyć stabilność wymiarową biopolimerowych produktów.
Dla wysokonasiąkliwej osnowy – termoplastycznej skrobi pszenicznej – odnotowano wyższe
wartości chłonności niż dla kompozytu z tufem [13]. Z badań tych można wyciągnąć również
ogólny wniosek, że wprowadzenie napełniaczy glinokrzemianowych przyspiesza proces
biodegradacji kompozytu lub nie zmienia go istotnie. W pewnym zakresie można również
sterować czasem biodegradacji, poprzez dobór rodzaju napełniacza i metody jego modyfikacji
[36-37].
4.4. Kompozyty z włóknami naturalnymi na osnowie polimerów z surowców
odnawialnych
Temat ten został przeze mnie podjęty gdyż uznałem, że jest to jedna z najciekawszych
nowych grup polimerów, jeszcze mało zbadanych i mających w perspektywie ogromne
znaczenie. Prace badawcze były realizowane w ramach kierowanego przeze mnie Projektu
POIG „Nowe przyjazne dla środowiska kompozyty polimerowe z wykorzystaniem surowców
odnawialnych”. Przedmiotem moich badań, wówczas pionierskich w Polsce i na świecie, były
kompozyty na osnowie biopolietylenu – nowości na rynku – oraz biopoliamidu.
W literaturze mało jest informacji na temat kompozytów termoplastycznych z włóknami
lnu. Ciekawe rezultaty prezentuje artykuł Bourmauda i inni [38] z 2016 roku w którym
11
przedstawiono wpływ temperatury przetwórstwa poliamidu 11 na geometrię włókien lnu oraz
właściwości kompozytów z jego udziałem. Ozen i inni [39] przedstawili możliwość
wytwarzania kompozytów z włóknami naturalnymi nie poddawanymi modyfikacji
w kompozytach na osnowie poliamidu 6. Porównano właściwości kompozytów
zawierających włókna lnu, kenafu i konopi. Najlepsze rezultaty uzyskano w wypadku
kompozytu zawierającego 20 % mas. mieszanina tych trzech włókien i 3 % dodatków
smarujących. Wpływ napełniaczy oraz stabilność termiczną
długołańcuchowych
biopoliamidów PA 1010 i PA6 badał Błędzki [10], używając włókien celulozowych – abaki
i włókien syntetycznych. Stwierdzono wyraźne zwiększenie sztywności oraz zmniejszenie
wytrzymałości. nie obserwując przy tym spadku udarności dla włókien celulozowych
w porównaniu z syntetycznymi. Liu Z. i in. [41] badał PA 10.10 z montmorylonitem
dodawanym w trakcie polimeryzacji. Kompozyty takie charakteryzują się wyższym modułem
sprężystości w porównaniu z czystym biopoliamidem. Podobne wyniki uzyskał Zeng i in.
[42,43] stosując jako wzmocnienie nanorurki węglowe oraz Liu T. i in. [43] dodając
nanocząstki w procesie przetwórstwa.
Ważną grupę wśród biopochodnych tworzyw stanowią polimery otrzymywane
z biopaliw. Już na początku lat 70. XX wieku w Indiach podjęto pierwsze próby
przetwarzania bioetanolu na etylen do produkcji polietylenu, poli(chlorku winylu) i styrenu.
W latach 80 ub. wieku w Brazylii produkowano ok. 150 tysięcy ton bioetylenu rocznie,
przetwarzanego następnie na polietylen i poli(chlorek winylu) [12]. Na początku lat 90.
produkcję zawieszono, jednak w 2010 roku firma Braskem uruchomiła ją ponownie na dużą
skalę (200 tysięcy ton „zielonego” polietylenu rocznie). Tym samym Braskem stał się
czołowym producentem biopolimerów na świecie.
Biopoliamidy dostępne na rynku nie posiadają swoich petrochemicznych
odpowiedników. I chociaż mogą być podobne pod względem niektórych właściwości do
tradycyjnych poliamidów, są to zupełnie różne materiały. Produkowane obecnie całkowicie
biopochodne poliamidy są zbudowane z długich łańcuchów węglowych. Posiadają wiele
zalet – odporność chemiczną, elastyczność, małą gęstość, małą nasiąkliwość, dużą zdolność
tłumienia drgań. Mają jednak gorsze właściwości mechaniczne niż tradycyjne tworzywa
stosowane jako materiały inżynierskie (w tym również poliamid 6), co ogranicza ich
zastosowania jako tworzywa konstrukcyjne. Wprowadzenie napełniaczy, nawet w niewielkiej
ilości, może znacznie poprawę wytrzymałość i sztywność materiału, z zachowaniem wielu
zalet, które zapewnia osnowa biopoliamidowa.
Niebiodegradowalne biokompozyty na osnowie polimerów z surowców odnawialnych
(np. biopolietylenu lub biopoliamidu) napełniane włóknami syntetycznymi lub naturalnymi
mogą stanowić interesującą alternatywę dotychczas stosowanych kompozytów na osnowie
polimerów syntetycznych. Takie tradycyjne kompozyty termoplastyczne stosowane na
masową skalę w przemyśle samochodowym, w produkcji artykułów AGD i sprzętu
komputerowego są przetwarzane na wyroby najczęściej metodą wtryskiwania. Ze względu na
ograniczenia prawne dotyczące emisji CO2 w celu nabycia doświadczenia na wypadek
ziszczenia się scenariuszy ograniczenia możliwości pozyskiwania, a w przyszłości
wyczerpywania się surowców kopalnianych, coraz więcej firm jest zainteresowanych
wprowadzaniem na rynek wyrobów z „zielonych” kompozytów. Biopolimery otrzymywane
z biomasy mogą być wykorzystywane jako matryce kompozytów napełnianych zarówno
12
włóknami naturalnymi jak i włóknami syntetycznymi lub cząstkami mineralnymi. Polimery te
nie są biodegradowalne i z tego względu dodatek takich napełniaczy jak włókna szklane czy
węglowe nie likwiduje ich „ekologicznych zalet”. Wprowadzenie włókien naturalnych
pozwala natomiast uzyskać całkowicie biopochodny kompozyt. Temperatury przetwórstwa
omawianych biopolimerów pozwalają na przetwarzanie ich z naturalnymi włóknami poniżej
temperatur degradacji napełniaczy.
Rezultaty moich badań nad kompozytami na osnowie biopolietylenu przedstawiłem
w pracach opublikowanych [15] lub wygłoszonych na konferencji 5th International
Conference on Innovative Natural Fibre Composites for Industrial Applications w Rzymie
w 2015 roku (wyniki badań są przygotowane do publikacji [44]). Artykuł opublikowany
w Composite Part B [15] prezentuje rezultaty badań wytrzymałościowych, termicznych
i oceny mikrostruktury kompozytów na osnowie biopolietylenu z 25 % mas. zawartością
włókien kenafu, mączki drzewnej, mikrocelulozy oraz specjalnie spreparowanego proszku
tufu. Wykres rozciągania czystego biopolietylenu ma charakter typowy dla poliolefin,
w trakcie rozciągania po osiągnięciu siły maksymalnej tworzy się przewężenie tzw. „szyjka”
i następuje znaczący wzrost wydłużenia przy niewielkim zmniejszeniu siły rozciągania.
Dodatek mączki drzewnej i kenafu zmienia charakter otrzymywanych wykresów – nie tworzy
się „szyjka”, a zniszczenie następuje zaraz po osiągnięciu siły maksymalnej. Dodatek
celulozy, a szczególnie cząstek mineralnego tufu zachowuje sprężysto-plastyczny charakter
wykresów. Jest to związane z geometrią cząstek zarówno pod względem stosunku długości do
przekroju ale także jej rozwinięciem, co pokazano na zdjęciach mikrostruktury. Dodatek
włókien naturalnych: kenafu i mączki drzewnej w ilości 25 % mas. powoduje ponad
dwukrotne zwiększenie modułu sprężystości, a dodatek mikrocelulozy w tej samej ilości
o około 80 %, a mineralnego tufu o 70 %. W przeciwieństwie do prób rozciągania, w próbie
zginania zaobserwowałem wyraźne zwiększenie maksymalnej siły i odporności na zginanie
dla wszystkich zastosowanych napełniaczy. Wytrzymałość na zginanie badanych
biokompozytów jest większa niż czystego biopolietylenu.
Polietylen z dodatkiem kenafu wykazuje największą chłonność wody, co związane jest
z sorpcją wody po długich włóknach kenafu. Nieco mniejszą chłonnością charakteryzują się
kompozyty z dodatkiem mączki drzewnej (ze względu na zawartość żywic)
i celulozy (ze względu na małe rozmiary cząstek), natomiast najmniejszą czysty biopolietylen
oraz biopolietylen z dodatkiem tufu. Na uwagę zasługuje fakt, iż czysty biopolietylen
charakteryzuje się dużą jak na poliolefiny (około 0,2 %) chłonnością wody, potwierdziły to
następne badania [44]. Związane jest to prawdopodobnie z wypłukiwaniem resztek
monomeru z osnowy polimerowej. W wyniku moczenia w wodzie czystego biopolietylenu
przez 30 dni wydłużenie względne maleje o ok. 70 % w porównaniu z biopolietylenem
niepoddanym inkubacji w wodzie. Jest to jedyny zaobserwowany przeze mnie skutek
destrukcji hydrolitycznej polietylenu - zarówno wytrzymałość jak i moduł sprężystości po
inkubacji zmieniają się nieznacznie [45].
Celem moich kolejnych badań [44], opartych na wynikach poprzednich [15] była ocena
możliwości wytworzenia materiałów kompozytowych na osnowie polietylenu z surowców
odnawialnych o szerokim spektrum zastosowań, zróżnicowanych co do właściwości
wytrzymałościowych i zdolności do odkształceń [46]. Wytworzono poprzez kompandowanie,
a następnie wtryskiwanie kompozyty na osnowie niemodyfikowanego biopolietylenu:
13
z zawartością 40 % mas. mączki drzewnej, włókien lnianych, włókien bazaltowych oraz
mączki z łupin orzechów.
Wyniki badań wskazują, że najlepsze wzmocnienie kompozytów uzyskuje się
w wypadku 40-proc. zawartości włókna bazaltowego. Wzrost wytrzymałości jest ponad dwu
i półkrotny, a modułu prawie sześciokrotny. W wypadku wszystkich badanych kompozytów
uzyskano wzrost modułu sprężystości w porównaniu z modułem sprężystości czystego
biopolietylenu. Niestety, w przypadku modyfikacji cząstkami orzecha nastąpiło znaczne (ok.
30-proc.) zmniejszenie wytrzymałości na rozciąganie. Kompozyty z włóknami lnu
charakteryzowały się największą spośród kompozytów wzmocnionych napełniaczami
naturalnymi wytrzymałością i sztywnością, ustępując jedynie kompozytom z włóknami
bazaltowymi. Wytrzymałość na zginanie wzrasta dla wszystkich otrzymanych kompozytów,
co jest bardzo ważne z punktu widzenia ich właściwości użytkowych i późniejszych aplikacji.
Wytrzymałość na zginanie kompozytów z włóknem bazaltowym zwiększa się czterokrotnie,
a kompozytów z włóknami lnianymi ponad dwukrotnie. Odpowiednio moduł sprężystości
przy zginaniu zwiększa się ponad 10-krotnie w wypadku kompozytów z 40-proc. zawartością
włókien bazaltowych i 8-krotnie dla włókien lnianych. Nawet w wypadku cząstek łupin
orzecha włoskiego moduł zwiększa się czterokrotnie. Wyniki te świadczą o dobrej adhezji
pomiędzy osnową a włóknami bazaltowymi oraz osnową a niemodyfikowanymi włóknami
lnianymi, wynikającej prawdopodobnie w przypadku włókien bazaltowych z ich apertury
polimetakrylanowej. Dobra adhezja włókien lnu może być spowodowana ich rozwinięta
powierzchnią i niższą polarnością polietylenu z surowców odnawialnych w porównaniu do
polietylenu ze źródeł petrochemicznych. Prawdopodobnie pochodzenie z biomasy zwiększa
zawartość resztek monomeru oraz obniża polarność polietylenu i zwiększa swobodną energię
powierzchniową. W wypadku wszystkich kompozytów zmniejsza się udarność z karbem,
niemniej dla kompozytów z włóknem bazaltowym spadek ten jest tylko dwukrotny, co jest
bardzo dobrym rezultatem przy 40-proc. napełnieniu ich włóknami i potwierdza tezę o dobrej
adhezji tych włókien do polietylenowej osnowy, co przedstawiono na zdjęciach
mikrostruktury.
Badania nad wprowadzeniem włókien lnu, a także włókien syntetycznych szklanych
i węglowych do poliamidów z surowców odnawialnych rozpocząłem w 2009 roku w ramach
kierowanego przeze mnie Projektu POIG „Nowe przyjazne dla środowiska biokompozyty
z surowców odnawialnych”. Oceniałem efekty i mechanizmy wzmocnienia oraz możliwość
oznaczania przybliżonej wytrzymałości zmęczeniowej przedstawionej w poprzednim
podrozdziale. W publikacji [47] porównałem dwa rodzaje poliamidów długołańcuchowy
o dużych odkształceniach PA 11 (Hiprolon 211, Shiznzu) oraz PA 10.10 firmy Evonik
o właściwościach zbliżonych do poliamidu 6, ale o znacznie mniejszej chłonności wody.
Wykorzystano je jako osnowy kompozytów z udziale 10, 20 i 30 % mas. włókien lnu,
włókien szklanych i węglowych. Wyniki przeprowadzonych badan wytrzymałościowych
wskazują, że we wszystkich przypadkach osiągnięto w próbie rozciągania znaczne
wydłużenia (od 10 % dla kompozytów z włóknem węglowym aż do ok. 140 % dla
kompozytów z lnem). Pomimo widocznych na zdjęciach nieciągłości na granicach faz
włókno-osnowa, należy stwierdzić dobrą adhezję pomiędzy komponentami, co potwierdzają
wyniki innych badań wytrzymałościowych: wzrost wytrzymałości na rozciąganie oraz
zachowanie stosunkowo wysokiej udarności. Zdjęcia kompozytu biopoliamidu z włóknami
14
lnu zostały wykonane na przełomach łamanych w ciekłym azocie. Ukazują one
semikrystaliczną budowę polimerowej osnowy oraz dobra adhezję wszystkich testowanych
włókien do osnowy polimerowej. Jest związane to z mniejszą polarnością poliamidu niż
polietylenu oraz stosunkowo niską temperatura przetwórstwa poliamidów z surowców
odnawialnych, dzięki czemu nie następuje degradacja włókien celulozowych [12]. Badania te
potwierdziły, że możliwość wytwarzania funkcjonalnych kompozytów na osnowie poliamidu
z surowców odnawialnych; poprzez odpowiedni dobór osnowy (długość łańcucha
polimerowego i związana z tym zdolność do odkształcalności) możemy otrzymać albo
materiał o bardzo dużej wytrzymałości i sztywności albo kompozyt o dobrej wytrzymałości
i sztywności i bardzo dobrej zdolności do dyssypacji energii mechanicznej.
Podsumowując, wykonane badania pozwoliły na wyciągniecie wniosków dotyczących
możliwości produkcji wyrobów z kompozytów na osnowie surowców odnawialnych, dzięki
wykorzystaniu ich zalet oraz lepszemu powinowactwu do włókien naturalnych
i syntetycznych niż w przypadku polimerów pochodzących ze źródeł petrochemicznych. Na
podkreślenie zasługuje możliwość wykorzystania włókien naturalnych w kompozytach
przeznaczonych na elementy zaopatrzenia ortopedycznego, szczególnie dla dzieci.
Kompozyty te przy tych samych właściwościach co kompozyty z włóknami szklanymi,
odznaczają się mniejszą chropowatością powierzchni i umożliwiają wykonywanie zdjęć
rentgenowskich bez pojawiania się tła od włókien syntetycznych [48].
4.5. Tuf – skała pochodzenia wulkanicznego – uniwersalny napełniacz i promotor
mieszalności
Tuf jest rodzajem lekkiej, zwięzłej, zazwyczaj porowatej skały osadowej należącej do skał
okruchowych. Składa się z materiału piroklastycznego (głównie piasku i popiołu
wulkanicznego), często z domieszką innego materiału okruchowego, scementowanego np.
spoiwem krzemionkowym lub ilastym. Tuf jest twardą skałą o dużej porowatości, a co za tym
idzie o stosunkowo małej gęstości. Ma barwę różową z jasnymi plamami lub białą. Składa się
z takich pierwiastków jak: glin, krzem, tlen, potas oraz śladowe ilości węgla. W Polsce tufy
występują w obszarach dawnej aktywności wulkanicznej; spotykane są przede wszystkim
w Sudetach (w okolicach Wałbrzycha, Lubania i Nowej Rudy) oraz w południowej części
Wyżyny Krakowskiej (w okolicach Krzeszowic) [14].
W realizowanym w latach (2007-2012) Projekcie Badawczym Zamawianym (Nr PBZMNiSW-5/3/2006) pt.: „Gospodarka i rozwój technicznego wykorzystania odpadów
polimerowych w Polsce", byłem kierownikiem zadania „Opracowanie nowych materiałów
kompozytowych z recyklatów poliolefin i polichlorku winylu napełnianych włóknami
naturalnymi lub cząstkami oraz ze zmieszanych tworzyw wtórnych”. Prace realizowane
przeze mnie doprowadziły m.in. do wykorzystania jako promotora mieszalności recyklatów
i kompozytów włóknistych tufu czyli odpowiednio spreparowanej i zmielonej porowatej
skały wulkanicznej.
Większość opracowań dotyczących napełniaczy mineralnych jest poświęcona
zagadnieniom modyfikacji powierzchni napełniaczy i dyspersji cząstek w polimerze.
Ważnym czynnikiem determinującym właściwości kompozytu jest wielkość i kształt ziaren,
najczęściej w postaci zaglomerowanych cząstek [49]. Dlatego okazuje się, iż warunkiem
15
koniecznym uzyskania poprawy właściwości kompozytu jest doskonałe zdyspergowanie
cząstek minerału w celu skutecznego powiązania napełniacza z osnową polimerową. Z tego
względu ważnym aspektem jest właściwy dobór napełniacza oraz metody przetwórstwa
kompozytu umożliwiającej skuteczną deaglomerację napełniacza. Bardzo istotnym
zagadnieniem jest również dobór i selekcja środków służących do preparacji powierzchni lub
modyfikatorów ułatwiających rozszczepienie skupisk cząstek [50]. Wyniki badań dotyczące
dyspersji napełniaczy krzemionkowych w poliestrach termoplastycznych publikowane
w pracach K. Bula, T. Jesionowski, Krysztafkiewicz A. oraz J. Janik dowiodły, że w objętości
krzemionki niemodyfikowanej istnieją duże aglomeraty (o wielkości ponad 3000 µm).
Modyfikacja powierzchni krzemionki z zastosowaniem silanów doprowadziła do znacznego
zredukowania wielkości aglomeratów (do około 1000 µm), jak również do poprawy
polidyspersyjności badanych krzemionek [50]. Inne opracowania dowodzą, iż uzyskanie
napełniaczy o wysokich parametrach wymagają przeprowadzenia całego szeregu modyfikacji.
Napełniacze mineralne charakteryzują się dużą hydrofilowością powierzchni.
Ta hydrofilowość napełniaczy przeszkadza w przygotowaniu jednorodnych układów polimer
– napełniacz. Ze względu na małe powinowactwo chemiczne do grup funkcyjnych polimeru,
trudno zwilżają swoje powierzchnie przez polimery. Z tego powodu konieczny okazuje się
etap modyfikacji ich powierzchni, który przede wszystkim ma na celu ograniczenie
hydrofilowości. Bardzo często modyfikacja powierzchniowa napełniacza przynosi lepsze
rezultaty niż modyfikacja powodująca wiązanie chemiczne napełniacza z polimerem [50,52].
Preparowanie powierzchni i powlekanie są przede wszystkim wykorzystywane do
poprawienia dyspersji minerału poprzez uczynienie go bardziej kompatybilnym z polimerem.
Poprawę mieszalności i dyspersji, ograniczenie lepkości polimerowej osnowy, a także
poprawę stabilności, można uzyskać dzięki zastosowaniu kwasów tłuszczowych takich jak
stearyniany metali i kwas stearynowy.
Problemy przetwórstwa tworzyw związane z ich modyfikacją wynikają z ograniczonej
podatności na współmieszanie materiałów polimerowych i pomocniczych. Na właściwości
wyrobów wpływ mają również maszyny przetwórcze i urządzenia wspomagające [53, 54].
Rosnące wymagania stawiane wyrobom z tworzyw, wskazują na potrzebę doskonalenia
procesów pomocniczych, wśród których szczególną rolę zajmują procesy umożliwiające
dokładne mieszanie i dozowanie modyfikatorów [55].
Powszechnie znanym problemem związanym z recyklingiem materiałowym jest to, że
otrzymane w ten sposób tworzywa mają zazwyczaj gorsze właściwości niż te otrzymywane
w procesach pierwotnych. Aby zapobiegać negatywnym skutkom stosowania materiałów
z recyklingu stosuje się metody ich uszlachetniania, np.: tworzenie mieszanin z tworzywem
oryginalnym, wprowadzanie kompatybilizatorów. Kompatybilizatory umożliwiające łączenie
trudno mieszalnych polimerów na skutek reakcji chemicznych bywają wprowadzane do
blendów z recyklatami, jednak podnoszą koszty materiałowe.
W Instytucie Inżynierii Materiałowej Politechniki Krakowskiej wspólnie z dr hab. inż.
Januszem Mikułą opracowaliśmy jako kompatybilizator tuf filipowicki rozdrobniony do
postaci mikrocząstek – rozwiązanie to jest chronione zgłoszeniem patentowym. Minerał
wulkaniczny – tuf – po obróbce chemicznej, termicznej i mechanicznej to napełniacz
o wielkości uziarnienia około 20 m, posiadający otwarte pory, których powierzchnia stanowi
ok. 20 % powierzchni całkowitej, zawierający: glinokrzemian K(Al2Si3O8), tlenki metali:
16
K2O, Al2O3 oraz 0,1 % wilgoci. Zawartość SiO2 w postaci K(Al2Si3O8) wynosi 32-51 % wag.,
korzystnie 40,7 % wagowych, zawartość K2O 11-13 % wagowych, Al2O3 9-12,5 %
wagowych. Sposób uzyskiwania takiego napełniacza-kompatybilizatora kompozytów
i mieszanin polega na mieleniu na kolejnych młynkach i obróbce chemicznej uzyskanego
proszku. Po procesie mielenia uzyskuje się ziarna o wielkości 5-50 m. Dla oczyszczania od
niepożądanych tlenków metali proszek poddaje się wytrawianiu za pomocą kwasu solnego
o małym stężeniu, w ilości ok. 1,5 krotnej względem tufu (w ciągu ok. 0,3 h). Następnie
przepłukuje się go wodą, aż do uzyskania pH 6-7, po czym suszy się w temperaturze
pokojowej przez ok. 1 dobę, prowadzi segregację-przesiewanie na sitach w celu otrzymania
uziarnienia ok. 5-20 μm, a następnie praży w temperaturze 550°C w ciągu 2-3 h i po
ostudzeniu przepuszcza się jeszcze raz przez młyn w celu rozdrobnienia powstałych bryłek
i uzyskuje gotowy kompatybilizator.
Tuf dodany do recyklatów polimerów termoplastycznych w ilości 3-5 % staje się
promotorem mieszalności ułatwiając ich przetwórstwo oraz zwiększając zdolność do
odkształceń i umożliwiając poprawę sztywności takich mieszanin. Wytworzenie gotowego
wyrobu wymaga kompandowania specjalnie przygotowanego proszku tufu na klasycznej
wielostrefowej wytłaczarce homogenizującej jedno- lub dwuślimakowej w celu uzyskania
jednorodności mieszaniny i wytworzenie granulatu. Tak przygotowany granulat po
wysuszeniu może być stosowany do wytwarzania wyrobów metodami dostępnymi dla
przetwórstwa termoplastów, w tym metodą wytłaczania z rozdmuchiwaniem.
4.6. Podsumowanie
Wzmacnianie polimerów napełniaczami pochodzenia naturalnego przynosi korzyści nie tylko
ekonomiczne, ale i ekologiczne. Materiały tego rodzaju znajdą zastosowanie w wielu
gałęziach przemysłu. Kompozyty wzmacniane krótkimi włóknami bazaltowymi i lnianymi
cechuje duża wytrzymałość, stąd mogą być z powodzeniem stosowane w przemyśle
motoryzacyjnym i w budownictwie. Dzięki odporności na wysoką temperaturę, materiały te
znajdą zastosowanie w przemyśle kolejowym, samochodowym i lotniczym, np. na obudowy
silników. Kompozyty wzmacniane włóknami naturalnymi mogą być również szeroko
stosowane w medycynie i inżynierii biomedycznej. Duża zawartość składników naturalnych
sprawia, że są przyjazne dla człowieka, „miękkie” i delikatne w dotyku, dzięki temu znajdą
zastosowanie w produkcji elementów protez, sprzętu rehabilitacyjnego i łóżek szpitalnych.
Mogą też znaleźć zastosowanie w przemyśle budowlanym i meblarskim.
Za moje najważniejsze osiągnięcia uważam opracowanie na podstawie analizy zjawisk
fizycznych i zmian zachodzących w strukturze kompozytów termoplastycznych z krótkimi
włóknami przybliżonej metody wyznaczania wytrzymałości zmęczeniowej, co skraca czas
niezbędny do aplikacji rozwiązań naukowo-badawczych do praktyki przemysłowej.
Następnym, ważnym zagadnieniem, które udało mi się rozwiązać było opracowanie
zasad i wskazanie kierunków modyfikacji polimerów z surowców odnawialnych takich jak:
polietylen i poliamid, jako interesujących materiałów polimerowych na osnowy kompozytów
NFC i WPC.
Z punktu widzenia poznawczego interesujące jest przygotowanie i wskazanie
możliwości wykorzystania dzięki przeprowadzonym badaniom włókien naturalnych tak
17
nietypowych jak włókna pokrzywy lub rzadziej używanych jak włókna kenafu i lnu.
Dodatkowo duże aspekty poznawcze przyniosło stosowanie ich na osnowy kompozytów
biodegradowalnych biopolimerów takich jak: polilaktyd, skrobia termoplastyczna oraz
polihydroksyalkaniany, octan celulozy czy kopoliestry. Pozwoliło to na określenie
mechanizmów biodegradacji oraz wskazało optymalne kierunki modyfikacji ich cząstkami
i włóknami naturalnymi.
Biokompozyty polimerowe to materiały o dużych możliwościach aplikacyjnych, dużym
potencjale, wskazywane jako te, których rozpowszechnienie może przyczynić się do
zmniejszenia naszego śladu ekologicznego. Obecnie największym zainteresowaniem
producentów wyrobów z tworzyw sztucznych cieszą się kompozyty z włóknami naturalnymi
o
osnowie
tradycyjnej
(petrochemicznej,
niebiodegradowalne);
biokompozyty
biodegradowalne lub niebiodegradowalne lecz biopochodne pozostają jeszcze za nimi daleko
w tyle. Ze względu na wciąż jeszcze niewielką skalę produkcji, często pojawiającą się
konieczność stosowania chemicznej czy fizycznej modyfikacji włókien czy osnowy, a także
przez konieczność zapewnienia energii, wody, nawozów i możliwie stabilnych warunków
wzrostu surowców, niektóre biokompozyty i ich komponenty otrzymywane z biomasy nadal
są niestety stosunkowo drogimi materiałami. Dotyczy to głównie biopolimerów:
polihydroksyalkanianów, biopoliamidów i odpornych termicznie polilaktydów. Mimo to ich
badanie, przetwarzanie, stosowanie staje się coraz bardziej opłacalne. Część konsumentów
jest gotowa zapłacić więcej za produkt reklamowany jako przyjazny dla środowiska. Również
ze względu na coraz ostrzejsze restrykcje dotyczące emisji CO2, częściowe zastępowanie
surowców petrochemicznych odnawialnymi w procesach produkcyjnych niesie ze sobą zyski.
Ma to szczególny sens w krajach rolniczych, dysponujących dużymi zasobami biomasy
i możliwościami produkcji biopaliw. Znając obecne ograniczenia tworzyw pozyskiwanych
z surowców odnawialnych, mądrze dobierając je pod kątem konkretnych zastosowań
i umiejętnie je reklamując, już dziś można czerpać z nich wymierne korzyści.
Istotną zaletą kompozytów zawierających włókna naturalne jest możliwość łatwiejszej
ich utylizacji niż kompozytów z włóknem szklanym lub węglowym. Alternatywą dla
kompostowania biopolimerów i biokompozytów jest ich spalanie z odzyskiem energii. Pod
względem wartości energetycznej takiego procesu, ciepła spalania biopolimerów kształtują
się na podobnym poziomie co polimerów petrochemicznych czy tradycyjnych paliw.
Literatura cytowana w rozprawie
[1]
[2]
[3]
Kuciel S., Liber A.: Ocena skuteczności wzmacniania mączką drzewną polietylenów,
Polimery 2005, 40, s. 436-440,
Kuciel S. współautor rozdziałów 1, 3, 7.1, 7.2, 8.1-8.3, 9.1, 9.2, 10.1-10.3, 11
recenzowanej monografii „Struktura i właściwości kompozytów na osnowie
termoplastów” red. L. Wojnar, wyd. Politechnika Krakowska, Kraków 2005, ISBN
83-917129-5-8,
Liber –Kneć A. Kuciel S., Dziadur W.: ”Estimation of mechanical (static and
dynamic) properties of recycled polypropylene filled with wood flour, Polimery 2006
51, nr 7-8 pp. 571-575,
18
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
Gądek A., Kuciel S., Wojnar L. Dziadur W.: Application of computer-aided analysis
of an image for assessment of reinforced polymers structures, Polimery nr 3/2006 pp.
206 – 212,
Comparision of possibilities of using a wood and kenaf fiber as a fillers to
thermoplastic starch, Kuciel S., Liber-Kneć A., J. of Biobased Materials and
Bioenergy 2009, 3, 3, pp. 269-274,
Liber-Kneć A., Żmudka S., Kuciel S.: Porównanie mechanizmów zniszczenia
zmęczeniowego
polimerów
termoplastycznych
pochodzenia
naturalnego
i syntetycznego, s. 198-205, monografia pod red. Wróbel G., Polimery i kompozyty
konstrukcyjne, Cieszyn 2010,
Kuźniar P., Kuciel S., Bogucki R., Biokompozyty na osnowie PHB z włóknami
pokrzywy lub włosiem końskim, Przemysł Chemiczny 89 (12)/2010, s. 1632—1635,
Kuciel S., Liber-Kneć A., Zajchowski S.: Kompozyty z włóknami naturalnymi na
osnowie recyklatu polipropylenu, Polimery 2010, 45, nr 10, s. 718-725,
Kuciel S., Liber-Kneć A.: Biocomposites based on PHB filled with wood or kenaf
fibers, Polimery 2011, 56 nr 3, 218-223,
Kuciel S., Ryszkowska J., Liber-Kneć. rozdział 5.7 monografii A.K. Błędzki,
J.Kijeński, R. Jeziórska „Odzysk i recykling materiałów polimerowych”,
Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2011, s. 264-307,
Kuciel S., Kuźniar P., Liber-Kneć A.: Polyamides from renewable sources as matrices
of short fiber reinforced biocomposites, Polimery, 9, 2012 pp. 627-634,
Kuciel S., Rydarowski H. red monografii: Biokompozyty polimerowe. Kraków PK
2012, 225 stron, ISBN 978-83-7242-639-0,
Kuciel S., Kuźniar P., Mikuła J., Liber-Kneć A., Mineral microparticles and wood
flour as fillers of different biocomposites – J. of Biobased Materials and Bioenergy
2012, 9, pp. 475-480,
Kuciel S., Mikuła J.: Patent z grudnia 2014 r: PL394848: Tuf jako kompatybilizator
– promotor mieszalności recyklatów polimerów i kompozytów włóknistych oraz
termoplastycznych mieszanin wielopolimerowych,
Kuciel S., Jakubowska P., Kuźniar P., A study on the mechanical properties and the
influence of water uptake and temperature on biocomposites based on polyethylene
from renewable sources, Composites Part B, 64, 2014, pp. 72 – 77
Liber-Knec A., Kuzniar P., Kuciel S.: Accelerated Fatigue Testing of Biodegradable
Composites with Flax Fibers, Journal of Polymers and the Environment 23(3) · April
2015, pp. 297-321,
Red. Nikolaos E Zafeiropoulos: Interface Engineering of Natural Fibre Composites for
Maximum Performance, 8, 166-189, Woodhead Publishing 2011,
Bravo A., Toubal L., Koffi D. and Erchiqui F: Damage Characterization of Bio and
Green Polyethylene–Birch Composites under Creep and Cyclic Testing with
Multivariable Acoustic Emissions, Materials 2015, 8, pp. 7322–7341,
Kyziol L. : Fatigue strength of wood polymer composite, Journal of KONES
Powertrain and Transport, Vol. 21, No. 1 2014,
Fatemi A., International Journal of Fatigue, 70 (2015) 297–321,
19
[21] L.A. Dobrzański, A.D. Dobrzańska-Danikiewicz: Struktura i własności materiałów
polimerowych obrabianych powierzchniowo oraz pokryć polimerowych, 7, s. 342367, Open Access Library Volume 5, 2011,
[22] Kocańda S., Szala J., Podstawy obliczeń zmęczeniowych, PWN, Warszawa 1991,
[23] Mandell J.F.: Fatigue behavior of short fiber composite materials, in: Reifsnider K.L.
(ed), The fatigue behavior of composite materials (Amsterdam, Elsevier, 1991),
[24] Faruk O., Bledzki A.K., Fink H.P., Sain M.: Biocomposites reinforced with natural
fibers: 2000–2010Prog Polym Sci, 37 (2012) pp. 1552–1596,
[25] Mazurkiewicz S., Żmudka S.: Ocena własności zmęczeniowych kompozytów za
pomocą badań przyspieszonych, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej Budowa
Maszyn i Zarządzanie Produkcją, 2010, 12,
[26] Kaczmar W., J., Pach J., Kozłowski R.: Wykorzystanie włókien naturalnych jako
napełniaczy kompozytów polimerowych, Polimery 2006, 51, nr 10,
[27] Mohanty A.K., Misra M, Drzal L.T., Natural fibers, biopolymers, and their
biocomposites, CRC Press UK 2005,
[28] Kozłowski M., Kozłowska A., Biodegradable plastics, „Recykling i odzysk
materiałów polimerowych”, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006,
s. 25-30,
[29] Averous L., Le Digabel F., Carbohydrate Polymers, Vol. 66, pp. 480-493,
[30] Bledzki A.K., Faruk O., Mamun A.A.: Influence of compounding processes and fibre
length on the mechanical properties of abaca fibre-polypropylene composites,
Polimery 2008, 53 (2), 120-125,
[31] Klyosow A. A.: Wood – Plastic Composites. New Jersey, Wiley-Interscience John
Wiley & Sons, Inc., 2007,
[32] Mucha M., Polimery a ekologia, Politechnika Łódzka, Łódź 2002,
[33] Mooney B.P., The second green revolution? Production of plant-based biodegradable
plastics, Biochemical Journal,418, 2009, 219-232,
[34] Kuciel S. red.: Kompozyty polimerowe na osnowie recyklatów z włóknami
naturalnymi, Politechnika Krakowska 2010, ISBN 978,
[35] Pilip N., Kuciel S., Kuźniar P.: Biopolymer composites for parts of rehabilitation
equipment, Engineering of Biomaterials 12/2011, 120-124,
[36] Pilip N., Kużniar P., Kuciel S.: Biodegradowalne kompozyty modyfikowane śrutą
roślinną” Przetwórstwo Tworzyw, 6, 2012, 622-626,
[37] Kuciel S., Liber-Kneć A., Kuźniar P.: Biodegradable biopolymer materials for using in
orthopedy as a splint material, Engineering of Biomaterials 2010, 99-101, XIII, p. 3841,
[38] Bourmaud A., Duigou A., Gourier C., Baley C.: Influence of processing temperature
on mechanical performance of unidirectional polyamide 11–flax fibre composites,
Industrial Crops and Products Volume 84, June 2016, p. 151–165,
[39] Ozen E., Kiziltas A., Erbas, Kiziltas E., Gardner D.: Natural Fiber Blend—Nylon 6
Composites, Polymer Composites, Volume 34, Issue 4, 2013,
[40] Bledzki A. Jaszkiewicz A., Feldman M., Sperber V. E.: World J. Eng. 2010, 7,
Supplement 2, P168,
[41] Liu Z., Zhou P., Yan D.: J. Appl. Polym. Sci. 2004, 91, 1834,
20
[42] Zeng H., Gao C., Wang Y., Watts P. C. P., Kong H., Cui X.,Yan D.: Polymer 2006,
47, 113,
[43] Liu T., Lim K. P., Tjiu W. C., Pramoda K. P., Chen Z. K.: Polymer 2003, 44, 3529,
[44] Kuciel S., Kużniar P. Jakubowska P., Zajchowski S.: Composites of biobased
polyethylene reinforced with basalt or natural fillers for technical applications, 5th
International Conference on Innovative Natural Fibre Composites for Industrial
Applications, Rome 16-17 October 2015, ISBN 9788890924002,
[45] Escócio V., Pacheco E., da Silva A., Cavalcante A. , Yuan L.: Rheological Behavior
of Renewable Polyethylene (HDPE) Composites and Sponge Gourd (Luffa cylindrica)
ResidueVisconte, International Journal of Polymer Science Vol. 2015,
[46] Penczek S., Pretula J., Lewiński P.: Polimery z odnawialnych surowców, polimery
biodegradowalne, Polimery nr 11/12, 2013, s. 835-846,
[47] Kuciel S. Kużniar P., Jakubowska P.: Properties of composites based on polyamide
10.10 reinforced with carbon fibers, Polimery 2/2016 pp 106-113,
[48] Sroka M., Pyko G., Kuciel S.: The composites with short fibers based on polyamide
from renewable sources for elements of external fixation system, Engineering of
Biomaterials 12/2011, p. 116-119,
[49] Ciullo, P.A.: Industrial Minerals and Their Uses - A Handbook and Formulary,
William Andrew Publishing/Noyes 1996,
[50] Banasiak A., Sterzynski T.: Właściwości kompozytów polimerowych PE + talk
Kompozyty (Composites) 2(2002), 3,
[51] Bula K., Janik J., Jesionowski T., Krysztafkiewicz A., Mat. Konf. Eurofillers 03,
Alicante 2003,
[52] Królikowski W., Nowoczesne konstrukcyjne polimerowe materiały kompozytowe,
Composites 2002, nr 3,
[53] Szlezyngier W.: „Tworzywa sztuczne”, tom 3; Oficyna Wydawnicza Politechniki
Rzeszowskiej; Rzeszów 2000,
[54] Kuciel S., Kuźniar P.: Materiały polimerowe, Kraków 2013,
[55] Gruin I.: Materiały Polimerowe; Wydawnictwo Naukowe PWN; Warszawa 2003.
5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo – badawczych wnioskodawcy, świadczących
o istotnej aktywności naukowej habilitanta (pełny wykaz znajduje się w zał. nr 5)
Całkowity Impact Factor wg Journal Citations Reports (JCR) – 15.752
Cytowanie moich publikacji
- 19 moich publikacji cytowanych wg Web of Science 74 (54 bez autocytowania),
- 22 moich publikacji cytowanych wg Scopus 82 (70 bez autocytowania).
Index Hirsch`a
- wg. Web of Science - 6
- wg Scopus - 7
21
Opracowane nowe technologie:
Patenty:
[1] MIKUŁA J., KUCIEL S.: Method for improving thermoplastic polymer miscibility,
involves adding compatibilizer with thermoplastic polymer, where compatibilizer
comprising volcanic tuff, which is processed by grinding thermoplastic polymer and
etching, Patent Numer: PL394848-A1 PL220266-B1, Właściciel patentu:
POLITECHNIKA KRAKOWSKA
[2] GLANOWSKI P; KOBASA I; KUCIEL S; et al. Mineral filler tuff, contains aluminium
silicate, metal oxides such as iron oxide, aluminium oxide, silicon dioxide and calcium
aluminium silicon oxide, Patent Numer: PL388678-A1, Właściciel patentu: TUFPOL
Spółka z o.o.
Ekspertyzy oraz badania dla ZPTS w Kłaju, firm: Becker z Myślenic, ADER Koszyce,
OPAKOMET Kraków, ABB, Alpha Technologies, Cooper Standard, KLGs Bydgoszcz, czy
Valeo Eastern Europe dotyczące badań starzeniowych konewek i butelek oraz
wytrzymałościowych rur i europalet a także doboru i badań obudowy łożysk z grafitamidu.
Badania właściwości użytkowych i wytrzymałościowych kompozytowych (poliestrowych ze
szklanym rovingiem) pojemników do selektywnej zbiórki odpadów dla Wydziału Ochrony
Środowiska Urzędu m. Krakowa.
Staże zagraniczne i krajowe
- 10-dniowy staż pobyt o charakterze naukowym na Uniwersytecie w Kassel, Niemcy, 2000 r.
- tygodniowy pobyt szkoleniowy w firmach J. Rettenmaier & Söhne (producent mączki
drzewnej) i Cinncinati (wytłaczarki i linie do przetwórstwa polimerów napełnianych
włóknami naturalnymi) – Niemcy, 2001 r.
- 2-tygodniowe wyjazdy jako opiekun praktyk studenckich między innymi do CERN
Genewa, Aérospatiale Toulouse, ICAM Nantes, Seat Marbella, Fiat Turyn.
- 6-miesięczny staż przemysłowy w ZPTS Kłaj, 1999-2000 r.
Kierowanie międzynarodowymi i krajowymi projektami badawczymi oraz udział
w takich projektach (po doktoracie)
- kierownik grantu - 7 T08E 009 18 (PB 1373/T08/2000/18) „Badania nad właściwościami
regenerowanych termoplastów i ich mieszanin w celu utylizacji typowych odpadów tworzyw
sztucznych” - zakończony 30 czerwiec 2001 r.,
- główny wykonawca - 7 T08E 008 18 (PB 1372/T08/2000/18) „Badania nad kształtowaniem
własności fizykomechanicznych kompozytów polimerowych w zastosowaniach dla chirurgii
kostnej” - zakończony 31 grudzień 2001 r.,
22
- główny wykonawca - 7 T08E 008 18 (PB 850/T08/2002/22) „Wpływ warunków
przetwórstwa i sposobu modyfikacji PTFE, POM oraz PA6 na ich strukturę (badania
z użyciem metod analizy obrazu) i własności fizyko-mechaniczne” - zakończony 28 luty
2005 r.,
- kierownik panelu W3 „Tworzywa sztuczne w transporcie” w ramach projektu „Foresight
technologiczny w zakresie materiałów polimerowych” i członek Panelu Głównego - 20062008 r.,
- kierownik zadania na PK i członek konsorcjum zarządzającego - Projekt Badawczy
Zamawiany Nr PBZ-MNiSW-5/3/2006 pt.: "Gospodarka i rozwój technicznego
wykorzystania odpadów polimerowych w Polsce", finansowanego przez MNiSW na
podstawie umowy Nr G 012/T02/2007 i realizowanego w PK pod kierunkiem dr inż.
Stanisława Kuciela - zadania 3.3 „Opracowanie nowych materiałów kompozytowych
z recyklatów poliolefin i polichlorku winylu napełnianych włóknami naturalnymi lub
cząstkami oraz ze zmieszanych tworzyw wtórnych”, 2007- 2011 r.,
- kierownik projektu - „Nowe przyjazne dla środowiska kompozyty polimerowe
z wykorzystaniem surowców odnawialnych” konsorcjum badawczego koordynowanego przez
Główny Instytut Górnictwa w Katowicach na podstawie umowy z dnia 26 lutego 2009 roku
o dofinansowaniu tego projektu w ramach Poddziałania 1.3.1 Programu Operacyjnego
„Innowacyjna Gospodarka” na lata 2007-2013, a finansowanego przez Europejski Fundusz
Rozwoju Regionalnego w latach 2009 – 2012.,
- główny wykonawca - PB NN-508-391-435 „Odlewnicze masy formierskie IV generacji –
masy wiązane biopolimerami”, projekt realizowany w latach 2009 – 2012, wspólnie
z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie,
- kierownik projektu - „Program pilotażowy w województwie kujawsko-pomorskim
Voucher badawczy” - VB/02/2012/01 - Badania nad zastosowaniem polimerów z surowców
odnawialnych do wytwarzania "zielonych" elementów anten satelitarnych, kwiecień –
listopad 2012 r.,
- główny wykonawca - PBS1/B5/18/2012 Projektu „Eko-pianki poliuretanowe otrzymywane
z udziałem surowców pochodzenia naturalnego, 2012-2014 r.,
- koordynator innowacyjnego projektu studiów podyplomowych na WM PK - "PIT
Mobilne studia podyplomowe we współpracy z przemysłem" (UDA-POKL.04.01.01-00245/11-00, 2013-2014 r.
Działalność Organizacyjna
- Przewodniczący Komitetu Organizacyjnego IX, X, XI, XII Seminarium „Tworzywa
Sztuczne w Budowie Maszyn”, Kraków 2000,2003, 2006, 2009 r.
23
- członek Komitetu Organizacyjnego 1st and 4th, 5th, 6th, 7th, 8th, 9th Central European
Conference Recycling of Polymer Materials: Science – Industry, 2001, 2006, 207, 2008,
2009, 2010 r.
- członek Komitetu Organizacyjnego X, XI I XII Międzynarodowej Konferencji NaukowoTechnicznej Kompozyty organizowanej przez Politechnikę Śląską
- członek Komitetu Naukowego konferencji International Conference on Innovative Natural
Fibre Composites for Industrial Applications, Rzym, 2011, 2013, 2015 r.
- członek Komitetu Naukowego Targów Kompozyt Expo 2011-2016 r. w Krakowie
- dwukrotnie wybierany członek Rady Wydział Mechanicznego i Komisji Senackiej na lata
2012-2016 i 2016-2020
- maj 2016 – wybrany Prodziekanem Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej ds.
studenckich na kadencje 1.09.2016-31.08.2020 r.
Działalność dydaktyczna
Skrypty i podręczniki akademickie
1. Kuciel S., Mazurkiewicz S. - pomoc dydaktyczna „Sprawozdania do ćwiczeń
laboratoryjnych z Wytrzymałości Materiałów”, Politechnika Krakowska, Kraków
2002, ISBN 83-7242-200-1,
2. Mazurkiewicz S., Kuciel S., Proszek M.: „Metody oceny jakości wyrobów z tworzyw
sztucznych” R4, IV tom „Zarządzanie jakością” red. A. Tabor, A. Zając, M. Rączka
Podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych, str. 235-249, wyd.
Politechnika Krakowska, Kraków 2000,
3. Mazurkiewicz S., Kuciel S., Litak A.: „Metody oceny jakości wyrobów z tworzyw
sztucznych” R4, II tom „Jakość w procesach wytwarzania” red. A. Tabor, A. Zając,
M. Rączka Podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych, str. 87-129, wyd.
Politechnika Krakowska, Kraków 2000,
4. Mikuła J., Kuciel S.: Gospodarka odpadami i recykling tworzyw sztucznych,
Politechnika Krakowska, 2013. ISBN 978-83-72-42-687-1,
5. Kuciel S., Kuźniar P., Materiały Polimerowe, Kraków 2013, Politechnika Krakowska,
2013, ISBN 978-83-72-42-687-3,
6. Waste management and plastic recycling [CD : dźw.] – Mikuła J., Kuciel S.; Read by
Andy Edwins . – Cracow : Cracow University of Technology, 2013,
7. Polymeric Materials [CD : dźw.] 5. - Kuciel S., Kuźniar P.; Read by Andy Edwins,
Cracow : Cracow University of Technology, 2013 ISBN 978-83-7242-748-9,
8. Kuciel S.: Szkolenie z zakresu ochrony środowiska naturalnego – 86 stron pomocy
dydaktycznej dla kierunku zamawianego „Inżynieria Materiałowa - Inżynieria
Przyszłości”, Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego,
9. Kuciel S.: Ochrona środowiska - pro środowiskowe technologie konstrukcyjne – 128
stron pomocy dydaktycznej - dla kierunku zamawianego Mechanika i Budowa
Maszyn, blend learning – zajęcia przez Internet Projekt „Mechanika i Budowa Maszyn
24
- kierunek zamawiany” Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w
ramach Europejskiego Funduszu Społecznego,
10. koordynator innowacyjnego projektu studiów podyplomowych na WM PK "PIT
Mobilne studia podyplomowe we współpracy z przemysłem" (UDA-POKL.04.01.0100-245/11-00, 2013-2014,
11. Pomoc dydaktyczna dla studentów Politechnika Krakowska 2015: Kuciel S., Kuźniar
P., "Materials made from renewable sources. Notes and recommendations for the
lectures", Kraków ISBN 978-83-941370-2-1.
Nagrody
- Nagroda Rektora PK za działalność dydaktyczną – 1998 r.,
- listy gratulacyjne za działalność dydaktyczną od Ministra RP i Senatu PK za opiekę
nad Pauliną Kużniar laureatką konkursu w ramach programu Marie Curie – Dziewczyny
przyszłości – nagrodzoną przez Ministra Nauki 2011 r.,
- trzykrotnie stypendium ministra Nauki 2011, 2013, 2014 r. (jedno z dwóch na PK) dla
Pauliny Kużniar, Magdaleny Gałazki i Jadwigi Pawlik dyplomantek i współautorek licznych
artykułów,
- Kuciel S. , Mikuła J. i inni - 2015 r. Nagroda Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za
osiągniecia dydaktyczne za opracowanie innowacyjnych narzędzi mobilnych
wspomagających proces kształcenia, w postaci zdalnie sterowanych stanowisk
laboratoryjnych, oprogramowania dydaktycznego, nowatorskich materiałów dydaktycznych,
w tym podręczników oraz programów studiów sformułowanych we współpracy
z przemysłem i dopasowanych do potrzeb rynku pracy.
25
SUMARYCZNE ZESTAWIENIE KRYTERIÓW OSIAGNIĘĆ WNIOSKODAWCY
Wg Rozporządzenia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 01.09.2011 r. w sprawie kryteriów oceny
osiągnięć osoby ubiegającej się o nadanie stopnia doktora habilitowanego
l.p.
Kryterium według §3 p.4, §4 i §5
1.
Publikacje naukowe w czasopismach z bazy Journal Citation Reports (JCR)
2.
Zrealizowane oryginalne osiągnięcia projektowe, konstrukcyjne i technologiczne
3.
Udzielone patenty:
a) międzynarodowe
b)krajowe
4.
5.
TAK (liczba)/BRAK
19
brak
a)
b) 2
Wynalazki oraz wzory użytkowe i przemysłowe, które zostały wystawione na
międzynarodowych lub krajowych wystawach lub targach
Monografie, publikacje naukowe w czasopismach innych niż znajdujące się w bazie
JCR
brak
117
6.
Opracowania zbiorowe, katalogi zbiorów, dokumentacja prac badawczych, ekspertyz
7.
8.
Sumaryczny impact factor według listy Journal Citation Reports (JCR), zgodnie z
rokiem opublikowania:
Liczba cytowań publikacji według bazy Web of Science (WoS):
9.
Indeks Hirscha według bazy Web of Science (WoS)
10.A
Kierowanie projektami badawczymi:
a) międzynarodowymi
b) krajowymi
a) brak
b) 4
Udział w projektach badawczych:
a) międzynarodowych
b) krajowych
a) brak
b) 9
10. B
11.
Międzynarodowe i krajowe nagrody za działalność naukową
12.
Wygłoszenie referatów na tematycznych konferencjach
a) międzynarodowych
b) krajowych
13.
14.
15.
Uczestnictwo
w
programach
europejskich
międzynarodowych i krajowych
Aktywny udział w konferencjach naukowych:
a) międzynarodowych
b) krajowych
oraz
17.
Udział w konsorcjach i sieciach badawczych
18.
Kierowanie projektami realizowanymi we współpracy z:
a) naukowcami z innych ośrodków polskich,
b) naukowcami z ośrodków zagranicznych,
c) przedsiębiorcami, innymi niż wymienione wyżej
20.B
21.
74 (54)
6
5
innych
programach
Udział w komitetach organizacyjnych konferencji naukowych:
a) międzynarodowych
b) krajowych
Otrzymane nagrody i wyróżnienia inne niż wymienione wyżej
20.A
15.752
a) 18
b) 46
16.
19.
45
Udział w komitetach redakcyjnych i radach naukowych czasopism
1
a) 18
b) 74
a) 4
b) 20
brak
1
a) 1
b) brak
c) 6
brak
Członkostwo w międzynarodowych organizacjach oraz towarzystwach naukowych
a) ogółem
b) w tym z wyboru
a) brak
b) brak
Członkostwo w krajowych organizacjach oraz towarzystwach naukowych
a) ogółem
b) w tym z wyboru
Osiągnięcia dydaktyczne i w zakresie popularyzacji nauki
a) brak
b) brak
11
26
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
Opieka naukowa nad studentami
Opieka naukowa nad doktorantami w charakterze:
a) opiekuna naukowego
b) promotora pomocniczego
Staże w ośrodkach naukowych lub akademickich
a) zagranicznych
b) krajowych
Wykonane ekspertyzy lub inne opracowania na zamówienie
Udział w zespołach eksperckich i konkursowych
Recenzowanie projektów:
a) międzynarodowych
b) krajowych
Recenzowanie publikacji w czasopismach:
a) międzynarodowych
b) krajowych
Inne osiągnięcia
20
a) brak
b) brak
a) 2
b) 1
45
1
a) 1
b)
a) 92
b) 1
Promotorstwo prac inżynierskich/magisterskich
Łącznie liczba spełnionych kryteriów:
212
22
………………..……………………….
podpis wnioskodawcy
27