Ionic liquids applied as modifiers for improving the dipersion of biofillers and bio- ZnO in elastomers
Ciecze jonowe jako modyfikatory poprawiające stopień zdyspergowania bionapełniaczy i bio-ZnO w elastomerach
Project type: Research and development
Keywords: ciecze jonowe bionapełniacze tlenek cynku elastomery modyfikacja
Keywords (english): ionic liquids biofillers zinc oxide elastomers modification
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 3/11/2021 - 2/11/2022
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: MINIATURA
Project manager: Anna Sowińska-Baranowska
Funding value: 48 950,00 PLN
Total project value: 48 950,00 PLN
Biokompozyty coraz częściej są stosowane w różnych sektorach gospodarki, szczególnie w przemyśle oponiarskim. Ze względu na duży popyt konsumentów, jak również ciągły rozwój tego sektora, światowy rynek produkcji i wykorzystania przemysłowego biopolimerów nieustannie rozwija się. Stosowanie materiałów biodegradowalnych i/lub przyjaznych środowisku ma pozytywny wpływ na odpowiednią równowagę gospodarki odpadami. W Polsce zagospodarowanie i wytwarzanie biomateriałów nie jest dostateczne, ale ma ogromny potencjał. Zamysł pracy badawczej wpisuje się w globalny trend wytwarzania i produkcji biokompozytów, które charakteryzować się będą nie tylko proekologicznym charakterem i podatnością do recyklingu, ale co bardzo ważne, wyróżniać się będą dobrą wytrzymałością mechaniczną, stabilnością termiczną, co w konsekwencji poszerzy obszar ich potencjalnego wykorzystania praktycznego. Zaplanowane prace badawcze dotyczą zastosowania cieczy jonowych w roli modyfikatorów napełniaczy kauczuku naturalnego (NR), w tym bionapełniaczy, takich jak celuloza, skrobia, chityna, a także aktywatora wulkanizacji – tlenku cynku (ZnO), który pełni kluczową rolę w sieciowaniu mieszanek elastomerowych. ZnO uwalniany do środowiska wodnego stanowi odpad, mający długotrwały, toksyczny wpływ na organizmy wodne. Redukcja ilości ZnO w mieszankach elastomerowych jest bardzo problematyczna z uwagi na jego istotną rolę w procesie wulkanizacji. Co więcej, wysoka energia powierzchniowa przyczynia się do aglomeracji cząstek ZnO, zmniejszając efektywność jego działania podczas sieciowania, a finalnie wpływa na pogorszenie właściwości wyrobów końcowych. Dlatego powszechnie stosowany ZnO planujemy zastąpić nanometrycznym ZnO otrzymanym w wyniku biosyntezy z wykorzystaniem ekstraktów roślinnych jako matryc do kontroli wzrostu cząstek ZnO o zdefiniowanej morfologii. Taki bio-ZnO jest nietoksyczny, antybakteryjny i bardziej przyjazny dla ekosystemu. Może okazać się związkiem o dużej aktywności w procesie sieciowania elastomerów. Ciecze jonowe (ang. Ionic Liquids, ILs) to sole organiczne o temperaturze topnienia poniżej 100°C, które cieszą się dużym zainteresowaniem, ze względu na szerokie możliwości ich zastosowań, na które ma wpływ m.in. ich wysoka stabilność termiczna, dobra stabilność elektrochemiczna oraz fakt że są związkami nielotnymi i w większości niepalnymi. Powszechnie dostępne są ciecze jonowe o różnych kationach i anionach, które można odpowiednio dobrać tak, aby związki posiadały określony zestaw pożądanych właściwości. W pierwszym etapie badań ILs zostaną osadzone na powierzchni bionapełniaczy i/lub ZnO metodą mechanochemiczną (z wykorzystaniem młyna kulkowego) oraz rozpuszczalnikową (z odpowiedniego rozpuszczalnika). Immobilizacja ILs na powierzchni napełniaczy i ZnO powinna poprawić stopień zdyspergowania ich cząstek w ośrodku elastomerowym i oddziaływania z elastomerem, co wpływa na poprawę właściwości użytkowych gotowych materiałów i zwiększa ich zastosowanie w przemyśle. Jest to szczególnie istotne w przypadku bionapełniaczy, np. celulozy, która z uwagi na hydrofilowy charakter wykazuje słabe oddziaływania z hydrofobowymi elastomerami. W odniesieniu do ZnO, mechanizm wulkanizacji zakłada, że cząstki siarki i przyśpieszacza wulkanizacji adsorbują się na powierzchni ZnO, tworząc kompleksy biorące udział w dalszych reakcjach. Ważna jest zatem jednorodna dyspersja ZnO w elastomerze, która odpowiada za powierzchnię kontaktu pomiędzy składnikami zespołu sieciującego, a tym samym jego aktywność. Podjęte zostaną też próby stworzenia układu hybrydowego poprzez modyfikację mechanochemiczną napełniacza tlenkiem cynku i cieczą jonową. Taki układ powinien bowiem bardziej równomiernie dyspergować się w elastomerze niż składniki wprowadzone oddzielnie, gdyż efektywność oddziaływań pomiędzy napełniaczem, ZnO i cieczą jonową podczas modyfikacji jest większa niż w przypadku wprowadzenia tych składników do elastomeru oddzielnie w trakcie sporządzania mieszanki. Prace badawcze obejmować będą charakterystykę czystych i zmodyfikowanych cieczami jonowymi komponentów (w tym zsyntezowanego bio-ZnO), jak również badanie ich oddziaływań z pozostałymi składnikami mieszanek elastomerowych. Analiza termograwimetryczna (TGA) i spektroskopia w podczerwieni (FTIR) umożliwi określenie wydajności modyfikacji i wytypowanie bardziej efektywnej metody. Zbadany zostanie wpływ modyfikacji na dyspersję składników w elastomerze za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej z systemem do mikroanalizy rentgenowskiej (SEM-EDS). Finalnie, planowane jest określenie wpływu zmodyfikowanych cieczą jonową napełniaczy i bio-ZnO oraz układów hybrydowych napełniacz/ZnO/ciecz jonowa na charakterystykę sieciowania (różnicowa kalorymetria skaningowa, DSC; badania reometryczne), właściwości fizyko-chemiczne elastomerów (w tym analiza dynamicznomechaniczna, DMA), odporność na starzenie oraz działanie mikroorganizmów. Zaplanowane badania mają charakter innowacyjny i stanowią poszerzenie wiedzy w zakresie wykorzystania cieczy jonowych i bio-ZnO w technologii elastomerów i biokompozytów. W literaturze brak jest informacji na temat zastosowania zmodyfikowanych cieczami jonowymi bionapełniaczy oraz bio-ZnO w kompozytach polimerowych. Należy podkreślić, że przedstawiona tematyka badawcza oraz zakres badań mają charakter rozwojowy i stwarzają możliwości nowych wyzwań badawczych, jak również wytyczenia nowych celów do realizacji w ramach projektów, o które można aplikować w przyszłych konkursach NCN.
-
Go back