Tworzywa sztuczne to materiały, które wkraczają we wszystkie dziedziny życia. Powoli zastępują też metalowe obudowy na kadłubach samolotów, gdzie nadają się idealnie bo są lekkie i wytrzymałe. Jest tylko jeden problem – mają niską przewodność elektryczną. W przypadku uderzenia pioruna naraża je to na całkowite zniszczenie. Rozwiązaniem tego problemu może być farba z dodatkiem nanorurek węglowych – sugerują uczestnicy projektu CarboShield.
Fot. Josef Türk Reit im Winkl Chiemgau / Foter.com / CC-BY-NC-SA 2.0
Lekkie tworzywa sztuczne są dla samolotu zbawienne. W razie uderzenia piorunu ulegają one jednak całkowitemu zniszczeniu, dlatego wymagają odpowiedniej ochrony. Metalowe siatki i folie, jakie niekiedy stosuje się w roli tarczy, nie zdają egzaminu – są stosunkowo ciężkie (a przecież chodzi nam o zmniejszenie masy!), a poza tym czynią naprawę uszkodzonych przez piorun elementów dużo trudniejszym.
Cudowne nanorurki
Fot. St Stev / Foter.com / CC BY NC ND 2.0
Rozwiązaniem może być technologiczna nowinka, która ostatnio jest na ustach wszystkich – nanorurki węglowe! Powłoka, w której tworzą one równomierną sieć dobrze przewodzącą prąd, działa jak doskonała tarcza. Taką osłonę można też stosować na wiatrakach w elektrowniach wiatrowych oraz wszędzie tam, gdzie potrzebne są farby i powłoki o wysokiej przewodności (na przykład na silnikach i generatorach).
Nanorurki mają naprawdę niezwykłe właściwości – potrafią być bardziej wytrzymałe niż stal i lepiej przewodzić prąd niż miedź. Za ich zastosowaniem przemawia też odpowiedni kształt, masa, przyjazność środowisku oraz dostępność (nie jest już problemem otrzymywanie ich w ilościach przemysłowych). Pozostaje wymyślić, jak włączyć je w skład farby, by uzyskać równomierne rozmieszczenie w powłoce, oraz oczywiście przeprowadzić niezbędne testy. Właśnie tym zajmuje się projekt CarboShield.
Punkt wyjścia – poliuretany i epoksydy
Punktem wyjścia dla naukowców jest system, na który składają się dwuskładnikowa wodorozcieńczalna farba poliuretanowa (powłoka zewnętrzna) oraz dwuskładnikowa farba epoksydowa (podkład). Stabilną dyspersję nanorurek węglowych, a tym samym równomierne ich rozmieszczenie w powłoce, można otrzymać tylko modyfikując ich powierzchnię. Zaproponowano póki co środki dyspergujące, surfaktanty i funkcjonalizację powierzchni przy pomocy grup kowalencyjnych. Prócz tego naukowcy prowadzą badania nad dodatkowymi wypełniaczami (takimi jak pigment carbon black czy krótkie włókna węglowe).
By dokładnie ocenić właściwości uzyskanej powłoki, naukowcy nanoszą ją na podłoże, na jakim ma w przyszłości funkcjonować (metal, laminat z włóknami) i przeprowadzają różnego rodzaju testy. W planach znalazło się m.in. fizyczne modelowanie i symulacja pioruna uderzającego w pokryty element.
Fot. Olastuen / Foter.com / CC BY-NC 2.0
Wyniki budzą nadzieję
Pierwsze wyniki są obiecujące. Już przy 1% wagowym zawartości nanorurek udało się znacznie obniżyć wytrzymałość dielektryczną farb poliuretanowych. Pozostaje wejść w szczegóły – ustalić eksperymentalnie, jak na właściwości elektryczne wpływa zawartość procentowa nanorurek (prawdopodobnie im większa, tym większa przewodność elektryczna, ale wymaga to potwierdzenia), grubość powłoki i ilość warstw.
Nanorurki węglowe przyszłością aeronautyki? Fot. giulia.forsythe / Foter.com / CC-BY-NC-SA 2.0
Jeśli projekt zakończy się sukcesem, będziemy mieć do dyspozycji farbę, której przewodnością będzie można dowolnie sterować. Stanie się więc hitem nie tylko jako osłona samolotów i wiatraków, ale też w elektronice i elektrotechnice. Oto potęga nanorurek węglowych!
Przypomnijmy, że na podobny pomysł wpadli naukowcy z Imperial College London. Ci z kolei w roli przewodzącej prąd sieci zaproponowali grafen.
Projekt CarboShield jest częścią programu Inno.CNT – finansowanej przez niemiecki rząd inicjatywy propagującej wykorzystanie nanorurek węglowych w przemyśle. W ramach CarboShield współpracują ze sobą między innymi przedstawiciele firm Siemens i Bayer MaterialScience oraz Instytutu Fraunhofera.
Opracowano na podstawie:
Ch. Seidel, A. Hebestreit, W. Wulbrand, M. Suppa, H. Oehler, I. Alig, D. Lellinger, Down-to-earth coatings, European Coatings Journal, 12 / 2012.
