Katarzyna Skórczewska - "Krok w przyszłość - stypendia dla doktorantów IV edycja"

Projekt "Krok w przyszłość - stypendia dla doktorantów IV edycja" współfinansowany jest ze środków
Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego"
 

Opis pracy doktorskiej

Celem prowadzonych przeze mnie badań jest wytworzenie różnymi metodami nanokompozytów PVC z jednorodnie zdyspergowanymi w osnowie CNT. Zasadniczym założeniem poznawczym jest ocena wpływu dodatku CNT na strukturę i właściwości nanokompozytów PVC. Celem praktycznym jest przygotowanie technologii wytwarzania nanokompozytów PVC/CNT. Głównym problemem badawczym jest opracowanie skutecznej metody wprowadzenia i dyspergowania CNT w PVC, której rezultatem będzie wytworzenie PVC/CNT o powtarzalnych właściwościach.

Nanorurki węglowe, dzięki niezwykłym właściwościom i małej gęstości są perspektywistycznym materiałem o szerokim spektrum zastosowań (robotyka, elektronika, sensory). Strategicznym zagadnieniem w zastosowaniu CNT jest wysoka tendencja do aglomeryzacji, a co za tym idzie poszukiwanie sposobu ich homogenicznego zdyspergowania w osnowie. Od metody rozlokowania CNT w osnowie zależą końcowe właściwości wytworzonego materiału. Wytwarzanie nanokompozytów PVC/CNT wymaga, aby CNT były dobrze zdyspergowane i równomiernie rozprowadzone w osnowie PVC Dodatkowo, trudności powodują złożone zjawiska podczas przetwórstwa PVC.

Spodziewanym rezultatem pracy jest wytworzenie nanokompozytów PVC/CNT o jednorodnym zdyspergowaniu CNT w osnowie i powtarzalnych właściwościach oraz opracowanie koncepcji technologii wytwarzania nanokompozytów metodą ciągłą z ukierunkowaniem na wdrożenie do praktyki przemysłowej.

 

Opis badań prowadzonych w ramach pracy doktorskiej

Prace nad wytworzeniem PVC/CNT opierają się na metodach przetwórczych i technikach pomiarowych. W celu wytworzenia stosuje się wieloetapową metodę dezintegracji ultradźwiękowej z ultramieszaniem.

Opracowano również nowatorską metodę wytwarzania nanokompozytów zastrzeżoną zgłoszeniem patentowym. W produkcji korzysta się także z konwencjonalnych technik przetwórczych. Oceniając właściwości nanokompozytów i wpływ CNT na osnowę PVC wykorzystuje się metody badań wł. mechanicznych (jednoosiowe rozciąganie, udarność, twardość), techniki badań wł. termicznych (DSC, TGA, Vicat,) i wł. reologicznych oraz pomiary strat dielektrycznych. Stosowano mikroskopię SEM, TEM i AFM. Zbadano odporność na spęczniające działanie rozpuszczalników.

 

Informacje o wydanych publikacjach i uzyskanych patentach

 
Publikacje 2008
  1. Sterzyński T., Piszczek K., Banasiak-Bula A., Skóczewska K.: „Metody instrumentalne w identyfikacji mieszanin poliolefin”, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 47 (39) nr 5, str. 37, 2008
  2. Piszczek K., Skórczewska K.: „Koncepcja wykorzystania reometru kapilarnego tłokowego do określenia jednorodności mieszanin polimerowych”, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 47 (39) nr 5, str. 28, 2008
  3. Piszczek K., Sterzyński T., Skórczewska K.: „Próba oceny tarcia adhezyjnego podczas przepływu tworzywa przy wykorzystaniu kapilarnego reometru tłokowego”, Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa 2008, vol. 2, str. 124, Wydawnictwo PAN, Oddział w Lublinie
  4. Piszczek K., Płaczkowska E., Skórczewska K.: „Żelowanie suspensyjnego PVC w mieszaninach z napełniaczami proszkowymi” w „Przetwórstwo Materiałów Polimerowych”, praca zbiorowa pod redakcja J. Koszkula i E. Bociągi, Politechnika Częstochowska 2008
Publikacje 2009
  1. K. Piszczek, K. Skórczewska, T. Sterzyński: Estimation of adhesive friction of the molten polimer by flow through a capillary rheometer.  Nr 4 (54) str 296- 298, Polimery 2009
  2. J. Tomaszewska, T. Sterzyński, K. Piszczek, K. Skórczewska, G. Broza: “Structure and properties of PVC nanocomposites”, str 76, w materiałach pokonferencyjnych „Postup naftogazonererobnij ta naftochimicznij promiclobosti. Zbirnik tez dopobiden”, Wydawnictwo Narodowego Uniwersytetu Politechniki Lwowskiej, Lwów 2009
  3. K. Piszczek, J. Tomaszewska, K. Skórczewska: Nanokompozyty poli(chlorku winylu) w Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 263 Chemia cz. 20 Przetwórstwo tworzyw polimerowych, str 116 – 119, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2009.
Publikacje 2010
  1. K. Piszczek, G. Broza, T. Sterzyński, K. Schulte, J. Tomaszewska, K. Skórczewska: „Nanokompozyty PVC/MNCNT” w materiałach pokonferencyjnych VI Kongresu Technologii Chemicznej 21 -25 czerwca 2009 Warszawa. chemik suplement nr 6
  2. Sterzyński T., Tomaszewska J., Piszczek K., Skórczewska K.: The influence of carbon nanotubes on the PVC glass transition temperature. Composites Science and Technology 2010, 70, 966-969
  3. Skórczewska K., Piszczek K., Tomaszewska J., Sterzyński T.:” Wpływ zawartości CNT na temperaturę zeszklenia i stopień zżelowania PVC w nanokompozytach wytworzonych z koncentratów”, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej – Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją 2010, nr 12, 297-302
Publikacje 2011
  1. K. Skórczewska, D. Chmielewska, K. Piszczek, J. Tomaszewska, T. Sterzyński: Wytwarzanie nanokompozytów PVC/CNT z zastosowaniem czynników dyspergujących. Chemik (4) 2011, str. 337-342.
  2. Lewandowski K., Zajchowski S. Skórczewska K., Mirowski J., Majchrowicz B.: "Reologiczne właściwości kompozytów polietylenu z napełniaczami naturalnymi" Polimery i kompozyty konstrukcyjne. Praca zbiorowa pod redakcją G. Wróbla. Monografia, Gliwice 2011 s.284-290.
  3. Skórczewska K., Tomaszewska J., Piszczek K., Sterzyński T.: Nanokompozyty o osnowie z plastyfikowanego PVC z udziałem MWCNT wprowadzonych w postaci dyspersji w plastyfikatorach. Praca zbiorowa pod red. Wróbla 2011, Wydawnictwo Naukowe Politechniki Śląskiej str. 443-450
  4. Lewandowski K., Zajchowski S., Skórczewska K., Mirowski J., Majchrowicz B.: reologiczne właściwości kompozytów polietylenu z napełniaczami naturalnymi. Praca zbiorowa pod red. Wróbla 2011, str. 284-290, Wydawnictwo Naukowe Politechniki Śląskiej
  5. Skórczewska K., Tomaszewska J., Sterzyński, T., Piszczek K.: Nanocomposites of  poly(vinyl chloride). Book of abstract Eurofillers 2011 str. 89
  6. Skórczewska K., Tomaszewska J., Sterzyński, T., Piszczek K.: Nanocomposites of PVC with CNT create by concentrate metod. Nanocomposites of  poly(vinyl chloride). Book of abstract Eurofillers 2011 str. 150
  7. Tomaszewska J., Sterzyński T., Skórczewska K., Andrzejewski J.: Composites of poly (winyl chloride) with POSS. Materiały konferencyjne EMCMRE-1 Marrakech Morocco 2011 str. 154
Publikacje 2012
  1. Siekierka P., Lewandowski K., Tomaszewska M., Skórczewska K. Piszczek K.,  Possibilities of waste chalk application as a filler to plasticized poly (vinyl chloride) PVC.  3rd Green chemistry and Nanotechnologies in polymer Chemistry Workshop Kraków 2012 str 132-133
  2. Skórczewska, K. Tomaszewska J., Sterzynski, T., Piszczek K.: The investigation of CNT dispersion in PVC/CNT nanocomposites produced by solvent evaporation method Advance in Petroleum ang Gas Industry and Petrochemistry Lviv 2012 str. 67
  3. Tomaszewska J., Skórczewska K.: Zastosowanie badań kalorymetrycznych do oceny żelowania PVC. Seminarium Zastosowanie metod analizy termicznej w przetwórstwie tworzyw polimerowych - Netzsch Poznań 2012
Informacje o zatwierdzonych wnioskach patentowych
  1. P.392372 Kazimierz Piszczek, Jolanta Tomaszewska, Katarzyna Skórczewska, Tomasz Sterzyński "Sposób wytwarzania nanokompozytów poli(chlorku winylu) z nanorurkami węglowymi metodą rozpuszczalnikowo-strąceniową"
  2. P.4000561 29.08.2012 Urbaniak W., Piszczek K., Marks D., Zajchowski S., Skórczewska K., Lewandowski K., Tomaszewska J.: "Płyta warstwowa, zwłaszcza elewacyjna oraz sposób jej wytwarzania"
  3. P.400628 03.09.2012 Urbaniak W., Piszczek K., Marks D., Zajchowski S., Skórczewska K., Lewandowski K., Tomaszewska J.: "Kompozyty poliolefinowe wzmocnione modyfikowanym włóknem  szklanym oraz sposób wytwarzania kompozytów poliolefinowych wzmocnionych modyfikowanym włóknem szklanym"

 

Korzyści dla województwa, w tym odwołanie do RSI WKP

PVC jest materiałem powszechnie stosowanym w przemyśle (trzeci co do ilości polimer wytwarzany na świecie), w Polsce zajmuje pierwsze miejsce w wielkości produkcji. W Województwie zlokalizowane są zakłady wytwarzające PVC (Anwil S.A) oraz przetwarzające ten polimer, które posiadają spore doświadczenie techniczne i technologiczne oraz znające potrzeby rynku. Firmy te mogą stanowić odpowiednią bazę surowcową i przetwórczą dla przyszłego wytwarzania i przetwarzania nanokompozytów PVC/CNT.

Wdrożenie technologii wytwarzania nanokompozytów PVC z nanocząstkami CNT przyczyni się do wzrostu konkurencyjności i innowacyjności branży tworzywowej naszego regionu poprzez zwiększenie oferty rynkowej o innowacyjne rozwiązania w dziedzinie nanokompozytów. Należy zaznaczyć, że uruchomienie produkcji PVC/CNT będzie unikalne w skali światowej, co zwiększy potencjał konkurencyjności regionu.

Co więcej wytwarzanie nanokompozytów PVC/CNT wpłynie pozytywnie na skuteczność i zacieśnienie współpracy Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego z przedsiębiorstwami branży przetwórstwa tworzyw naszego regionu. Wspólna realizacja i wdrażanie technologii pozwoli na zapoczątkowanie w regionie nowoczesnych technik nanomateriałowych kształtowanych i wykorzystywanych już na rynkach światowych. Dzięki takiej współpracy wzrośnie znaczenie przemysłu tworzywowego naszego regionu na arenie międzynarodowej oraz spowoduje ona stworzenie nowych miejsc pracy dla wykwalifikowanej kadry. Prowadzenie prac nad nanomateriałami wywrze korzystny wpływ na rozwój kwalifikacji naukowych i stworzenie eksperckiego kręgu nowoczesnych nanomateriałów i innowacyjnych rozwiązań. Dlatego słuszne jest prowadzenie szeroko zakrojonych badań w obszarze wysokich technologii w dziedzinie inżynierii materiałowej, w szczególności materiałów kompozytowych i nanomateriałów, które wg prognoz światowych będą wypierały konwencjonalne rozwiązania surowcowe.

Badania nad nanokompozytami PVC z CNT prowadzone w Zakładzie Technologii Polimerów UTP niezaprzeczalnie wpisują się w założenia i wytyczne RSI WKP do roku 2015. W rozdziale 6, punkt 1.3  RSI WKP zakłada konieczność ścisłej współpracy przedsiębiorstw z jednostkami naukowo - badawczymi w wdrażaniu innowacyjnych rozwiązań i przygotowaniu kadr oraz wykreowanie innowacyjnych produktów i przedsiębiorstw utożsamianych z województwem. Co więcej zakres realizowanych badań nad wytworzeniem nanokompozytów PVC z CNT obejmuje tematykę przyszłościowej dla województwa dziedziny kompozytów i materiałów polimerowych z uwzględnieniem przyszłych zapotrzebowań gospodarki regionu w tym zakresie (rozdział 6, punkt 2.1 RSI WKP). Dodatkowo stymuluje rozwój młodej kadry naukowej na potrzeby przemysłu poprzez współpracę w realizacji innowacyjnych projektów i prac rozwojowo-badawczych, co także stanowi jedną z wytycznych RSI WKP.

 

Przełożenie wyników na rozwój strategicznych obszarów regionu

Realizowana przeze mnie praca doktorska wpisuje sie w główne cele i założenia RSI WKP. Województwo kujawsko-pomorskie jest bardzo silnym ośrodkiem przemysłu przetwórstwa tworzyw polimerowych, tutaj swoją lokalizację ma wiele (wg Panorama Firm 206 firm) MiŚ przedsiębiorstw działających w tej branży. Wykazują one spore doświadczenie i możliwość adaptacji zaplecza maszynowego do wymagań rynku. Niektóre z nich są zainteresowane wdrożeniem innowacyjnych rozwiązań, które podniosą ich konkurencyjność a tym samym zyski. W 2006 roku firmy te utworzyły stowarzyszenie Bydgoski Klaster Przemysłowy, którego celem jest promowanie innowacji w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych i produkcji narzędzi, by stymulować wykorzystanie nowych wysokich technologii i dostarczać produkty oraz usługi na poziomie porównywalnym z przodującymi krajami w tej dziedzinie. Zakłady te stanowią odpowiednie zaplecze techniczne do wdrożenia technologii wytwarzania i przetwarzania nanokompozytów PVC/CNT.

Perspektywy wdrożenia nanokompozytów PVC z CNT wynikają z faktu, że w województwie kujawsko-pomorskim zlokalizowane są liczne firmy branży przetwórstwa tworzyw zajmujących sie wytwarzaniem elementów tworzywowych jak i dostarczaniem urządzeń do ich formowania (narzędziownie), o dobrej bazie maszynowej i szerokich zdolnościach adaptacyjnych. Wdrażaniu technologii proinnowacyjnych na terenie województwa sprzyjają również korzystne uwarunkowania prowadzenia działalności proekologicznej i proinnowacyjnej ( parki technologiczne, szkolenia, zaplecze naukowe, projekty unijne).

Komercjalizacja wyników prowadzonych badań nad nanokompozytami PVC/CNT oraz zaproponowane rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle regionu. Nanokompozyty mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle elektronicznym i elektrycznym do produkcji warstw przewodzących, w przemyśle motoryzacyjnym do poprawy odporności elastycznych przewodów i uszczelek na  działanie paliw, olejów, smarów i czynników atmosferycznych. Mogą one także znaleźć przeznaczenie jako sensory uszkodzenia lub przerwania ciągłości materiału w urządzeniach transportowych (samoloty, pojazdy szynowe), w konstrukcjach budowlanych, w specjalistycznych powłokach i zbiornikach. Stanowią także przyszłościowy materiał biosensorowy o przeznaczeniu medycznycm: (miejscowe długofalowe uwalnianie leku ściśle w chorej tkance).

Opracowana metoda wytwarzania koncentratów CNT w osnowie PVC umożliwi produkcję materiału o zdefiniowanym składzie z wykorzystaniem konwencjonalnych urządzeń przetwórczych. Sposób ten pozwoli uniknąć niekontrolowanego przenikania CNT do środowiska pracy. Zainteresowanymi współpracą zakładami mogą być Anwil S.A (jedyny polski producent PVC oraz dostawca granulatów i gotowych mieszanek PVC) i Elnowa Bydgoszcz, Tele-fonika Kable Sp. z o.o., Lifocolor (produkcja koncentratów), Zachem SA,  PPHU Plast-Spaw oraz Ergis-eurofilms S.A. w Wąbrzeźnie lub w Pesa Bydgoszcz S.A. czy P.W. WW Ekochem.

 

Współpraca z biznesem

Przedsiębiorstwo Elnowa z Bydgoszczy, z którym współpracuję, jest producentem kabli i przewodów elektrycznych dla branży elektrotechnicznej. Jednym z komponentów realizowanego w Elnowie procesu technologicznego jest PVC, spełniający funkcje izolacyjne i oponowe wytwarzanych przewodów. Elnowa jest laureatem konkursu solidny partner solidna Firma 2005 oraz członkiem Stowarzyszenia Producentów Kabli i Osprzętu Elektrycznego oraz Kujawsko-Pomorskiego Związku Pracodawców i Przedsiębiorców. Każdy z oferowanych przez Elnowę produktów kablowych jest certyfikowany i zgodny z dyrektywami Unii Europejskiej oraz Rozporządzeniem Ministra Gospodarki w tym zakresie, spełnia normy branżowe.

Profil działalności firmy ze względu na stosowanie PVC w izolacjach kablowych jest zgodny z zakresem prowadzonych przeze mnie badań nad nanokompozytami PVC z nanorurkami węglowymi o polepszonej odporności cieplej i na działanie rozpuszczalników spęczniających. Nanokompozyty takie mogą z powodzeniem znaleźć zastosowanie jako ulepszone masy oponowe kabli i przewodów produkowanych w Elnowie.

Nawiązana współpraca z firmą Elnowa, prowadzona w zakresie realizowanej przeze mnie pracy doktorskiej, zakłada prowadzenie wspólnych badań zmierzających do wdrożenia technologii wytwarzania nanokompozytów PVC/CNT do praktyki przemysłowej oraz opracowaniu kryteriów oceny właściwości nanokompozytów uwzględniających ich przydatność do wytwarzania mas kablowych. Współpraca z przedsiębiorstwem Elnowa wpisuje się w dyrektywy RSI WKP. Jednym z założeń RSI WKP jest spieranie proinnowacyjnej działalności w ważnych i znaczących gospodarczo branżach elektrotechnicznej i przetwórstwa polimerów.