Naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) w Stanach Zjednoczonych opracowali specjalną, wielowarstwową powłokę, składającą się m.in. z nanorurek węglowych. Nowa osłona przyczyniła się znacznie do zmniejszenia palności poliuretanowych pianek tapicerskich, stosowanych powszechnie w siedzeniach samochodów oraz meblach.
Gąbki tapicerskie z poliuretanu (PUR lub PIR) otrzymuje się w wyniku spontanicznej reakcji aromatycznych izocyjanów z oligomerami z grupami -OH na końcach. Efekt spieniania uzyskuje się na trzy sposoby: dodanie do układu lotnych rozpuszczalników (szkodliwych dla środowiska), które parując tworzą pory, przepuszczanie przez reagującą mieszaninę gazów obojętnych (zwykle azotu) oraz dodanie do układu reakcji wody, gdzie czynnikiem powodującym spienianie jest dwutlenek węgla, powstający w wyniku reakcji wody z grupami izocyjanianowymi (najczęściej stosowana metoda). W zależności od proporcji substratów i sposobu prowadzenia reakcji otrzymywane są pianki o różnych właściwościach. Szacuje się, że światowe zapotrzebowanie na ten termoutwardzalny polimer wynosi 5% całkowitego zużycia tworzyw sztucznych. Wszechstronne zastosowanie sztywnych (transport, budownictwo, opakowania, przemysł motoryzacyjny, artykuły sportowe) i elastycznych (materace, obicia mebli, myjki) pianek poliuretanowych stawia wysokie wymagania w kwestii bezpieczeństwa użytkowania.
Otwartej budowa komórkowa, duża powierzchnia właściwa oraz spora ilość wiązań C-H sprawia, że pianki poliuretanowe są mało odporne na spalanie. Czynnikiem ograniczającym aplikację poliuretanów jest palność. Rozwiązanie przedstawione przez naukowców z NIST bazuje na cienkiej, wielowarstwowej powłoce z umieszczonymi wewnątrz nanorurkami węglowymi, zapewniającymi zmniejszenie szybkości wydzielania ciepła o ponad 1/3. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w 550 edycji czasopisma Thin Solid Films.
Do osadzenia warstw badacze wykorzystali znaną od 1997 metodę o nazwie “warstwa po warstwie” (z ang. layer-by-layer, LbL). Nanoszenie nanocząsteczek na powierzchnie polega na nakładaniu na podłoże kolejnych warstw elektrycznie naładowanych cząsteczek lub cząstek o przeciwnym znaku. W tym przypadku pojedyncza powłoka składała się z wielościennych nanorurek węglowych (z ang. multi-walled carbon nanotubes, MWCNT) umieszczonych pomiędzy dwoma polimerami (kolejno polikwas akrylowy (PAA)/MWCNT/polietylenoimina (PEI). Aby trwale przytwierdzić nanorurki do podłoża, inżynierowie posłużyli się aminacją – techniką często stosowaną w hodowli komórkowej, w celu zwiększenie przyczepności cząsteczek DNA. Grupy aminowe zawierające atomy azotu, przyłączone na zewnątrz nanorurek wpłynęły korzystnie na ich połączenie z polimerami (PAA naładowane było ujemnie, MWCNT i PEI dodatnio). Końcowa powłoka składała się z czterech tego typu potrójnych warstw (4xPAA/MWCNT/PEI) o całkowitej grubości 440±47 nanometrów. Pomiędzy nanorurkami nie zaobserwowano przerw ani otworów, co sugeruje silne przyleganie do polimerowego pokrycia.
Zespół zdecydował się na użycie nanorurek węglowych ze względu na ich elastyczność oraz bardzo dobre właściwości rozpraszania ciepła. Badania palności przeprowadzono z wykorzystaniem kalorymetru stożkowego. Równomiernie rozłożone nanorurki podczas ogrzewania tworzyły szczelną warstwę hamującą rozprzestrzenianie się płomienia oraz dostęp do tlenu. W rezultacie, powłoki zapobiegały również ściekaniu palącymi kroplami. Zastosowanie retardantów w postaci cienkich warstw zmniejszyło główną siłę napędową pożaru, czyli szybkość uwalniania ciepła (z ang. heat release rate, HRR) o 35±3%.
Badacze są przekonani, że cienkowarstwowe pokrycie LbL to kolejny kamień milowy w wytwarzaniu wydajnych powłok na pianki. Podobne osłony mogłyby w przyszłości zastąpić m.in. bromowane opóźniacze spalania, które mają niekorzystny wpływ na środowisko. Obecnie naukowcy chcą skupić się na tworzeniu funkcjonalnych pokryć z wprowadzeniem innych nanocząsteczek.
Źródło:
[1] Yeon Seok Kim, Rick Davis. Multi-walled carbon nanotube layer-by-layer coatings with a trilayer structure to reduce foam flammability. Thin Solid Films, 2014; 550: 184 DOI: 10.1016/j.tsf.2013.10.167
[2] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609013018002
[3] http://www.nist.gov/el/fire_research/flame-011414.cfm
[4] Scaredy Cats by Benjamin J. DeLong (BozDoz), flickr.com, CC BY 2.0