Naukowiec z Akademii Górniczo - Hutniczej pracuje nad ognioodpornymi włókninami, przeznaczonymi do produkcji strażackich mundurów, które, w odróżnieniu od włóknin, stosowanych teraz, nie zawierają materiałów potencjalnie rakotwórczych. Pomóc mają nanocząstki.
Reklama:
Jak wyjaśnia odkrywca, dr inż. Piotr Szewczyk z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, czasem jedynym, co dzieli strażaka/strażaczkę od śmiertelnego niebezpieczeństwa, jest jego/jej strój – mundur, który ma ochronić go przed płomieniami. Badania, które ujrzały światło dzienne w ciągu ostatnich lat podważają jednak założenie, że ochrona zapewniona strażakom/strażaczkom jest odpowiednia i wystarczająca.
Doniesienia naukowców sugerują, że zwiększona zapadalność tej grupy zawodowej na nowotwory wynika nie tylko z wielorazowej ekspozycji na dym i częste przebywanie w oparach płonących materiałów czy chemikaliów, ale także z rakotwórczych materiałów wykorzystywanych do produkcji przeznaczonych dla niej mundurów. “To zawód, który już i tak podejmuje olbrzymie ryzyko, wypadałoby więc pozbyć się ryzyka występującego w rzeczach, których muszą używać. Obecnie strażacy i strażaczki często nie mają wyboru, bo nie ma innych materiałów, które oferowałyby np. podobne własności wytrzymałościowe w danej temperaturze, więc wolą pracować w potencjalnie rakotwórczych mundurach niż zrezygnować z ochrony, która dzieli ich od utraty zdrowia i życia” – mówi o motywacji do ulepszenia strojów strażackich dr inż. Piotr Szewczyk.
Naukowiec ma zamiar opracować ognioodporne włókniny, które nawet w wyniku uszkodzenia czy bezpośredniej styczności z płomieniami, nie będą wydzielały szkodliwych dla zdrowia ludzkiego substancji. Jego projekt „Ogniotrwałe włókniny elektroprzędzone o wysokiej wytrzymałości mechanicznej” otrzymał finansowanie w konkursie MINIATURA 8 Narodowego Centrum Nauki.
Reklama
Jak czytamy na stronie AGH, dostępne na rynku kombinezony, przeznaczone do użytku w sektorze podwyższonego ryzyka często zawierają tzw. PFASy, czyli związki fluoru, które w pewnych postaciach są nieszkodliwe i dają odporność na wysokie temperatury. Najnowsze badania przekonują jednak, że w wyniku uszkodzenia ich struktury zaczynają wydzielać szkodliwe substancje, które mogą negatywnie wpływać na zdrowie człowieka, a w szczególności przyczyniać się do powstawania nowotworów.
Tak jak na przykład teflon, na nieuszkodzonej powłoce patelni jest inertny i nie może negatywnie wpływać na zdrowie, ale po zarysowaniu zaczyna wydzielać związki rakotwórcze, tak samo uszkodzony strój strażacki zawierający związki fluoru może zacząć uwalniać związki, które mają negatywny wpływ na zdrowie ludzi. Niestety, takie uszkodzenia podczas akcji nie są rzadkością. Według obecnej wiedzy, stroje strażackie mogą w ten sposób przyczynić się do epidemii chorób nowotworowych u strażaków/strażaczek.
Włókniny, nad którymi pracuje dr inż. Piotr Szewczyk, mają składać się z włókien pokrytych nanocząstkami, które zapewnią polimerom ochronę przed spalaniem i wyeliminują problem wydzielania szkodliwych substancji. Naukowiec z AGH ma zamiar produkować włókninę przy użyciu elektroprzędzenia. To technika, która pozwala na uzyskiwanie włókniny z polimerów, do których na etapie produkcji można dodawać różne cząsteczki.
Prace rozpoczyna się od przygotowania roztworu – polimer, z którego chcemy uzyskać włókno, rozpuszcza się w konkretnym rozpuszczalniku. Następnie ten roztwór wprowadza się do strzykawki, którą montuje się w pompie. Stamtąd roztwór trafia do dyszy, czyli zwykle igły. Kluczowe jest to, że ta dysza znajduje się pod wysokim napięciem, rzędu dziesiątek kilowoltów, a w odległości kilkunastu centymetrów znajduje się kolektor. W ten sposób pomiędzy igłą a kolektorem powstaje bardzo silne pole elektrostatyczne, które zaczyna wyciągać strugę polimeru, a ta zaczyna odkładać się na kolektorze, najczęściej metalicznym cylindrze. Struga polimeru jest na tyle cienka, że cały rozpuszczalnik, który znajduje się w roztworze, odparowuje zanim dotrze do kolektora.
Wyzwanie polega na tym, by cząsteczki, które mają stworzyć wierzchnią, ognioodporną warstwę włókna, nie mieszały się z polimerem, ale owinęły się wokół niego i stworzyły swego rodzaju otulinę. “To właśnie na zewnątrz stosuje się tzw. technologię core-shell, czyli mamy rdzeń z polimeru i z zewnątrz znajduje się druga igła, z której możemy podawać inny polimer, albo np. nanocząstki w rozpuszczalniku. Wtedy te cząstki wychodząc z dyszy, łączą się z tym włóknem, które jest wytwarzane podczas przędzenia i dostajemy strukturę, gdzie w środku jest polimer, a z zewnątrz są chroniące go cząstki”– wyjaśnia naukowiec.
Reklama
Właściwości, wymagane do pokrycia włókien, posiadają nanocząsteczki sadzy. Sadza powstaje w wyniku spalenia – składa się z najbardziej podstawowych związków węgla, które są inertne i niepalne. To, co miało się spalić po prostu już się wypaliło – mamy więc do czynienia z efektem spalenia odpornym na ten proces. Dodatkowo duże ilości sadzy powstają jako odpad w przemyśle naftowym i gazowym, więc znalezienie nowych sposobów jej zagospodarowania jest bardzo pożądane. Podobne związki można też wytworzyć np. ze spalonych ziaren kawy, których na świecie nie brakuje, a w ten sposób posłużyłyby jako coś więcej, niż produkt na kompost.
Nanocząstki sadzy można uzyskać po prostu poprzez rozdrobnienie mikrocząstek w moździerzu na drobniejsze frakcje lub z wykorzystaniem bardziej zaawansowanych młynów kulowych. “Plan jest taki, żeby te cząsteczki były jak najmniejsze i w momencie, gdy ma zajść proces spalania włókna, ogień napotka barierę węgla, który się nie może spalać (przynajmniej w tych temperaturach, z którymi mamy do czynienia), więc tworzy barierę ochronną. Moim założeniem jest to, żeby te materiały w ogóle nie zaczynały się spalać i nie zaczynały wytwarzać żadnych szkodliwych związków chemicznych” – wyjaśnia dr inż. Piotr Szewczyk.
Im mniejsze będą cząsteczki, tym szczelniej będą mogły otoczyć polimer i tym skuteczniej odetną dostęp tlenu, tworząc wokół niego ognioodporną barierę. Dodatkowo, nanocząsteczki sadzy mają tę zaletę, że ich obecność zwiększy wytrzymałość (już i tak bardzo wytrzymałych) włókien polimerowych. Łańcuchy polimerów zaplątują się o nanocząstki, na których zbierają się naprężenia, co umożliwia przenoszenie większych obciążeń.
Uczelnia wyjaśnia, że do wytworzenia powłoki można by wykorzystać także nanocząstki ceramiczne, ale chociaż jest to często stosowana i skuteczna metoda, jest też bardzo droga. Co więcej, wymaga wykorzystania szkodliwej chemii, np. stężonych kwasów trifluorooctowych, więc wykorzystanie sadzy wydaje się bardziej ekologiczne i bezpieczniejsze. Włókna powstałe w procesie elektroprzędzenia są bardzo cienkie – gołym okiem ich wygląd można porównać z wyglądem chusteczki higienicznej, ale ich wytrzymałość jest wielokrotnie większa. Dla porównania: mikrofibra to włókna, które mają średnicę poniżej 10 mikronów, a nanowłókna mają średnicę poniżej mikrona. Te, które bada dr inż. Szewczyk mają średnicę około 700–800 nanometrów, czyli ponad 10 razy mniej. Im cieńsze będzie włókno, tym większa będzie jego użyteczność.
Popularne obecnie stroje strażackie są bardzo grube i w dużym stopniu ograniczają ruchy strażaków/strażaczek, przeszkadzając w akcji. Obecnie brakuje technologii, które dawałyby swobodę ruchów i zapewniały odpowiednią izolację, bo tę najłatwiej uzyskać poprzez grube warstwy materiału. Włókninami elektroprzędzonymi można pokryć w zasadzie każdy rodzaj materiału, praktycznie nie zwiększając jego objętości. Ognioodporna membrana, nad którą pracuje naukowiec z AGH, nie stanowiłaby całego stroju, ale jedną z warstw, skutecznie chroniącą przed wpływem płomieni. Dawałaby tym samym szanse na zapewnienie strażakom i strażaczkom większej swobody.
Otrzymany grant pozwoli naukowcowi sfinansować zakup sprzętu niezbędnego do sprawdzenia właściwości opracowywanych włóknin. Pierwsze etapy weryfikacji odbędą się za pomocą aparatury dostępnej już w AGH, np. elektronowy mikroskop skaningowy pozwala na osiągnięcie powiększenia sięgającego 150 tysięcy razy i tym samym umożliwi obserwacje poziomu dyspersji cząsteczek sadzy na powierzchni polimeru. Zastosowanie w badaniach znajdzie także mikroskop sił atomowych, który pozwoli na zbadanie topografii takiego włókna, zmierzenie własności cząstek oraz zbadanie jego własności termicznych, co informuje o tym, jak skutecznie materiał odprowadza ciepło, a więc czy spełnia się w roli bariery ognioodpornej.
“Żeby zobaczyć włókna na wskroś można wykorzystać kilka sposobów. Jedną z technik jest łamanie włókien w ciekłym azocie, co jest prostym, tanim i szybkim rozwiązaniem. Włókna umieszcza się w ciekłym azocie, a następnie nacina żyletką, co powoduje ich pękanie ze względu na zamrożenie. Pęknięcia te odkrywają strukturę wewnętrzną materiału. Można również wykorzystać jony galu do przecięcia materiału w mikroskopie skaningowym. Jeśli zajdzie taka potrzeba, można zastosować bardziej zaawansowaną i czasochłonną technikę, jaką jest transmisyjna mikroskopia elektronowa, która również pozwala na uzyskanie przekroju poprzecznego włókien” – opowiada badacz. Zakup nowego wyposażenia będzie jednak niezbędny, by przeprowadzić normatywne testy spalania, a więc potwierdzić lub obalić osiągnięcie zamierzonego efektu w opracowanych włókninach.
Reklama
Jeżeli testy potwierdzą, że opracowana włóknina ma wszystkie założone w projekcie właściwości, to możliwe będzie podjęcie prób jej zastosowania – na świecie są już firmy, które wytwarzają materiały metodą elektroprzędzenia na masową skalę. Znalazły one zastosowanie choćby w produkcji maseczek higienicznych, na które podczas pandemii zapotrzebowanie było bardzo duże. Gdyby technika okazała się natomiast na razie bardzo kosztowna, naukowiec dostrzega możliwość zastosowania i rozwijania jej w przemyśle kosmicznym lub wojskowym – bo tam ograniczenia budżetowe odgrywają mniejszą rolę, niż użyteczność innowacyjnych rozwiązań.
“Moim obowiązkiem jako naukowca jest to, że ja ten materiał postaram się opracować, interesuje mnie znalezienie rozwiązania i udostępnienie go światu. Na tym etapie nie myślę o patencie. (…) Gdyby udało się opracować tę ognioodporną włókninę, to pokazałoby to innym naukowcom, że jesteśmy w stanie wytworzyć materiał, który ma podobne własności, bez używania szkodliwej chemii. To jest podejście skomplikowane, ale moim zdaniem gra jest warta świeczki, bo do opinii publicznej coraz częściej dostają się informacje, że mamy mikroplastiki, mamy chemikalia, które na zawsze pozostają w glebie, a potem przez tę glebę migrują do wody, a z wody do roślin, a z roślin do zwierząt i z nich do nas. Tak więc koło się zamyka i trzeba próbować z tym aktywnie walczyć. Nie mówię, że ekologia za wszelką cenę, ale tam gdzie się da, to jak najbardziej trzeba się o to postarać” – podsumowuje naukowiec.
Dr inż. Piotr Szewczyk jest członkiem Grupy Badawczej Elektroprzędzenia Polimerów prowadzonej przez prof. dr hab. inż. Urszulę Stachewicz na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. Grupa specjalizuje się w zaawansowanych badaniach w dziedzinie inżynierii materiałowej, ze szczególnym uwzględnieniem włókien polimerowych.
