Kiedy mówimy „bazalt”, to pierwszym skojarzeniem nie jest technologia wzmocnienia i obniżki kosztów produkcji tworzyw sztucznych. Niesłusznie. Z kolei kiedy myślimy o tworzywach sztucznych, to na myśl przychodzi nam coś użytecznego, ale niezbyt przyjaznego środowisku. Też niesłusznie, bo nie wszystkie tworzywa są „sztuczne”. Niektóre z nich składają się z substancji pochodzenia naturalnego, jak polilaktyd, który powstaje przez połączenie ze sobą w łańcuch wielu cząsteczek kwasu mlekowego występującego naturalnie np. w jogurtach albo kiszonkach.

Pomimo naturalnego pochodzenia polilaktyd cały czas nie został obwołany wybawcą ludzkości od niebiodegradowalnych plastików wytwarzanych z produktów przetwarzania ropy naftowej – bo nie dorównuje właściwościami petrokuzynom. Dlatego inżynierowie od dawna starają się poprawić jego cechy poprzez stosowanie dodatków. – Badamy tworzywa sztuczne wzbogacone o włókna bazaltowe. W końcu pomyśleliśmy: a może sięgnąć po bazaltowy pył? – mówi dr inż. Mateusz Barczewski z Politechniki Poznańskiej.

Flaga na Księżycu

Polilaktyd, znany pod skrótem PLA, ma za sobą ciekawą historię. Wynaleziono go w laboratoriach amerykańskiej firmy Dupont w 1932 r. Dokonał tego Wallace Carothers, który do historii przeszedł jako odkrywca nylonu i jednego z typów syntetycznego kauczuku, neoprenu. Ale Carothers był ciągle niezadowolony z siebie jako naukowca, do tego stopnia, że w 1937 r. popełnił samobójstwo. Gdyby doczekał 1969 r., zobaczyłby, jak jego wynalazki trafiają na Księżyc. Amerykańska flaga, którą Buzz Aldrin zatknął na srebrnym globie, została wykonana właśnie z nylonu. Nylon z neoprenem wykorzystano również do uszycia skafandrów amerykańskich kosmonautów.

W Duponcie polilaktyd trafił na półkę, ponieważ był drogi w produkcji. Przeleżał tam całą zimną wojnę, aż pod jej koniec tworzywem zainteresowali się chemicy z firmy Cargill. W 1989 r. Patrick Gruber wraz z żoną w domowej kuchni opracowali nową metodę syntezy polilaktydu z wykorzystaniem kukurydzy. To obniżyło koszty produkcji, dzięki czemu PLA trafił do szerszych zastosowań.

Nie do końca biodegradowalny

Pytam dr inż. Barczewskiego, dlaczego PLA nie jest powszechnie używany, skoro świat czeka na zielone tworzywa sztuczne? Odpowiada, że przeszkadza w tym cena: jest wielokrotnie droższy od tworzyw, z którymi konkuruje. Problemem jest też jego niewielka sztywność w podwyższonej temperaturze: w 50–60 stopniach Celsjusza PLA robi się miękki. – Wystarczy nalać do niego gorącej wody, a zacznie się odkształcać – mówi dr Barczewski. Niezbyt pożądana cecha w materiale, z którego chcielibyśmy wytwarzać opakowania. Mimo to na ograniczoną skalę się to robi, produkując z polilaktydu między innymi jednorazowe kubki do piwa i zimnych napojów.

Problem polega też na tym, że nawet jeśli PLA jest bardziej zielony od innych tworzyw, to jednak nie na tyle, by można go było bez obaw wyrzucić gdziekolwiek, bo za parę tygodni i tak go nie będzie. Biodegradacja polilaktydu powinna odbywać się w warunkach przemysłowych, bo pozostawiony sam sobie będzie się rozkładał nawet kilkadziesiąt lat. Naukowcy mówią więc, że nie jest biodegradowalny, ale „kompostowalny”.

Doktor Barczewski sposobu na upowszechnienie PLA upatruje w poprawieniu jego właściwości i obniżeniu kosztów produkcji. W tym celu razem ze współpracownikami (w tym dr inż. Danutą Matykiewicz) starają się wprowadzić do polilaktydu niedrogie napełniacze (dodatki). – Trudno o tańszy dodatek niż odpadowy pył bazaltowy, który nawet odpowiednio obrobiony kosztuje jedynie kilkadziesiąt groszy za kilogram – mówi inżynier.

Pyłoaktyd

Zainteresowanie skałami mineralnymi to przeniesienie na grunt tworzyw sztucznych zabiegów ze sztuki wytwarzania betonu, który wzbogaca się m.in. włóknami bazaltowymi, tworząc w ten sposób bardziej wytrzymałą mieszankę zwaną fibrobetonem. Naukowcy z Politechniki Poznańskiej doszli do wniosku, że skoro włókna się sprawdziły, to może sprawdzi się również bazaltowy pył?

To odpad powstały przy produkcji kruszywa ze skał pochodzenia wulkanicznego, składają się na niego drobiny o średnicy kilkudziesięciu mikrometrów – mniej więcej tyle, co ludzki włos. Tak naprawdę jest to w głównej mierze krzemionka, dwutlenek krzemu – związek, z którego zrobione są ziarna piasku i z którego składa się większość ziemskiej litosfery. Po dodaniu do polilaktydu pozwala na wytworzenie kompozytu, zmieniając strukturę tworzywa, m.in. zwiększając stopień jego krystaliczności.

– Jeśli spojrzeć pod mikroskopem na PLA, jaki znamy z wytwarzanych opakowań, to nie ujrzymy tam uporządkowanych struktur krystalicznych. Ich brak odpowiada za to, że materiał mięknie pod wpływem podwyższonej temperatury. Odpowiednia procedura przetwarzania PLA, uwzględniająca dodatek pyłu bazaltowego, pozwala na uporządkowanie jego struktury i uzyskanie większej krystaliczności. Dzięki temu tworzywo staje się bardziej wytrzymałe i mięknie dopiero w temperaturze 120–140 stopni Celsjusza – tłumaczy dr Barczewski.

Inżynier jest przekonany, że opracowana na Politechnice Poznańskiej formuła znajdzie zastosowanie w przemyśle. Bo trend na bardziej zielone niż dotychczas tworzywa sztuczne będzie się jedynie umacniał, czego wyrazem dla dr. Barczewskiego jest chociażby fakt, że nad takimi materiałami pracuje coraz więcej zespołów naukowych w Polsce, jak na przykład opisany na stronie obok zespół z Politechniki Krakowskiej. 

Eureka! DGP

Trwa siódma edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do końca maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi na początku czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora