Samonaprawiające się polimery do kompozytów lotniczych
Materiały samonaprawiające się wymagają minimalnej konserwacji i cechują się możliwością naprawiania własnych mikropęknięć. Stały się one Świętym Graalem przemysłu lotniczego. Dzięki naukowcom pracującym w projekcie HIPOCRATES, realizującym misję opracowania samonaprawiających się kompozytów opartych na żywicy epoksydowej, jesteśmy o krok bliżej ich wykorzystania. Do opracowania nowych samonaprawiających się materiałów naukowcy wykorzystali szeroko wykorzystywane żywice, tak że mogą one po prostu zostać włączone do obecnie stosowanych metod produkcji w przemyśle lotniczym. Laminowane polimerowe materiały kompozytowe są wykorzystywane w częściach statków powietrznych takich jak śmigła, kadłuby samolotów, komponenty wnętrza i w przypadku mikropęknięć. Jednakże mikropęknięcia stanowią duży problem, z uwagi na to, że obniżają wytrzymałość materiałów. Do tej pory naprawy wymagały interwencji manualnej, ale wynalezienie samonaprawiających się materiałów polimerowych w ostatniej dekadzie może to zmienić. Samonaprawiające się mechanizmy były już badane w zastosowaniach, takich jak beton, asfalt, hydrożele czy polimery biomedyczne. "Ta strategia to obiecująca droga do wydłużenia życia komponentów polimerowych", mówi koordynator projektu HIPOCRATES, dr Sonia Flórez z TECNALIA w San Sebastián w Hiszpanii. "Projektowanie strukturalnych samonaprawiających się kompozytowych materiałów polimerowych dla przemysłu lotniczego wciąż stanowi wyzwanie", mówi Flórez. Według niej trzeba pokonać szereg praktycznych ograniczeń. Obejmują one szybkość regeneracji, stabilność procesu, a także koszty materiałów i produkcji. "Krytycznym etapem jest kompatybilność takich technologii i obecnie dostępnych metod przetwarzania i produkcji", dodaje. W tym celu naukowcy realizujący projekt HIPOCRATES przełożyli znane samonaprawiające się substancje chemiczne w systemy żywic epoksydowych, które są powszechnie wykorzystywane w kompozytach lotniczych i opracowali metody włączenia technologii samonaprawiających się w istniejące techniki przetwarzania. W ramach projektu HIPOCRATES zbadano dwie różne strategie samonaprawiania. Jedna z nich obejmuje kapsułkowanie mikropęknięć. Flórez tłumaczy, że "Mikrokapsułki zawierające substancje do samonaprawiania dodaje się do kompozytowej mieszanki polimerowej, w której wcześniej rozproszono katalizator, który inicjuje reakcję. W przypadku wystąpienia mikropęknięcia, kapsułka rozpada się, uwalniając substancję regenerującą, która wchodzi w kontakt z katalizatorem. Zachodząca w wyniku tego reakcja polimeryzacji zamyka pęknięcie i zapobiega w ten sposób jego powiększaniu się". Naukowcy pracujący w projekcie HIPOCRATES poszli o krok dalej, ponieważ udało im się opracować system samonaprawiania oparty na "mikrokapsułce typu wszystko w jednym", który jest całkowicie samowystarczalny. W tym rozwiązaniu katalizator nie jest rozpraszany w matrycy żywicy, ale jest zamknięty w otoczce kapsułek w wyższym stężeniu, tak więc reakcja naprawy zachodzi szybciej. Drugą metodą jest wykorzystanie polimerów odwracalnych. "Te materiały zawierają wewnętrzne powiązania, które regenerują uszkodzenie i zamykają pęknięcie w odpowiedzi na bodziec zewnętrzny, taki jak ciepło, promieniowanie czy indukcja elektryczna", mówi Flórez. Jest to możliwe dzięki użyciu różnych odwracalnych polimerów, a naukowcy realizujący projekt HIPOCRATES zsyntetyzowali i zbadali dwa, które są kompatybilne z systemami epoksydowymi i mogą zostać wyprodukowane z ekonomicznych surowców dostępnych komercyjnie. Materiały opracowane w wyniku realizacji projektu HIPOCRATES zbadano na modelach w małej skali, odtwarzając różne efekty uderzeń w statek powietrzny przy dużej prędkości w wyniku np. zderzenia z ptakami, śmieciami czy gradem. Zbadano skutki działania sił ściskających na naprawiane materiały, aby stwierdzić, czy mogą one ulec delaminacji i rozpaść się. Analiza ultradźwiękowa badanych nowych materiałów wykazała, że uszkodzenia w wyniku uderzenia i ściskania można zmniejszyć, wykorzystując materiały samonaprawiające się. "Użycie kapsułek zapewniło pewien stopień ochrony przed początkowym uderzeniem mechanicznym, jednakże po naprawieniu, obie strategie wykazały wyższą odporność na ściskanie niż kiedykolwiek wcześniej", wyjaśnia Flórez. Nowe materiały cechowały się o 5-10% wyższą odpornością na siły ściskające, sprawiając że naprawiane materiały były odporne na uderzenia, które przed naprawą skutkowałyby ich uszkodzeniem. Nowe kompozyty stworzone w projekcie HIPOCRATES wymagają kolejnych badań, zanim będą mogły zostać użyte w praktycznych zastosowaniach, ale zespół projektowy ma nadzieję, że w ciągu następnych pięciu lat te samonaprawiające się materiały pozwolą na obniżenie kosztów statków powietrznych, stanowiąc alternatywę dla kosztowych badań i napraw manualnych.
Słowa kluczowe
HIPPOCRATES, samonaprawiające się polimery, materiały kompozytowe, żywice epoksydowe, mikrokapsułki, kompozyty lotnicze