Od laboratorium do fabryki. Studenci PG opracowali biodegradowalne kubki
Ponad 120 kubków powstało podczas prób przemysłowych z wykorzystaniem materiału opracowanego przez trzech studentów Politechniki Gdańskiej. Krzysztof Rekowski, Kajetan Siemienowicz i Łukasz Pędrasik połączyli biopolimer z naturalnym korkiem, tworząc kompozyt odporny na wysoką temperaturę i wykazujący zdolność do biodegradacji. Projekt zrealizowali w ramach programu „Uczelnie Przyszłości”, a opracowane rozwiązanie sprawdzili w warunkach przemysłowych.
Ponad 120 kubków powstało podczas prób przemysłowych z wykorzystaniem materiału opracowanego przez trzech studentów Politechniki Gdańskiej. Krzysztof Rekowski, Kajetan Siemienowicz i Łukasz Pędrasik połączyli biopolimer z naturalnym korkiem, tworząc kompozyt odporny na wysoką temperaturę i wykazujący zdolność do biodegradacji. Projekt zrealizowali w ramach programu „Uczelnie Przyszłości”, a opracowane rozwiązanie sprawdzili w warunkach przemysłowych.
Od szklarni do jednorazowych kubków
Studenci nanotechnologii z Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG początkowo zamierzali opracować płyty warstwowe ze szkłem, wykorzystujące właściwości termoizolacyjne aerożeli. Takie rozwiązanie mogłoby znaleźć zastosowanie m.in. w szklarniach, ograniczając straty ciepła. Przeszkodą okazały się jednak wysokie koszty oraz trudności związane z produkcją.
Zespół, którego liderem jest Krzysztof Rekowski, postanowił zmienić kierunek prac. Zamiast płyt do szklarni studenci skupili się na materiale do produkcji jednorazowych naczyń na gorące napoje. Chcieli połączyć odporność na wysoką temperaturę, izolację cieplną i możliwość biodegradacji.
Rozważany początkowo aerożel zastąpili naturalnym korkiem, który ma dobre właściwości termoizolacyjne. Połączyli go z biodegradowalnym biopolimerem, uzyskując kompozyt przeznaczony do dalszych badań i prób produkcyjnych.
Biopolimer i korek. Jak powstał nowy materiał?
Popularne kubki papierowe często mają wewnętrzną powłokę z tworzywa sztucznego, np. polietylenu, która zapobiega przeciekaniu. Jej obecność może jednak utrudniać recykling. Z kolei niektóre materiały biopochodne, takie jak kwas polimlekowy (PLA), mają ograniczoną odporność na wysoką temperaturę.
Studenci PG postanowili wykorzystać PHBV, biopolimer należący do rodziny polihydroksyalkanianów (PHA). Materiały te mogą być wytwarzane przez mikroorganizmy i wykazują zdolność do biodegradacji. PHBV stanowi podstawę kompozytu, a dodatek granulatu korkowego wpływa na jego właściwości termoizolacyjne.
Największym wyzwaniem było dobranie proporcji obu składników. Studenci przygotowali próbki z różną zawartością korka i porównali ich właściwości. Ostatecznie wybrali kompozyt zawierający zaledwie 1 proc. granulatu. W ocenie zespołu taka proporcja pozwoliła uzyskać korzystne właściwości cieplne i mechaniczne, a jednocześnie zachować możliwość przetwarzania materiału metodami przemysłowymi.
Kubki zachowały kształt nawet przy niemal wrzącej wodzie
Opracowany kompozyt poddano badaniom sprawdzającym jego odporność na temperaturę, właściwości mechaniczne oraz zdolność do biodegradacji.
Temperatura ugięcia pod obciążeniem (HDT) wyniosła 145°C. Oznacza to, że w warunkach określonego badania próbka materiału uległa odkształceniu dopiero w tej temperaturze. Nie jest to jednak dopuszczalna temperatura użytkowania gotowego kubka.
Podczas praktycznych prób kubki zachowały swój kształt również w kontakcie z niemal wrzącą wodą.
Badania wykazały także ponad 90 proc. rozkładu materiału. Wynik ten odnosi się do warunków przeprowadzonego badania i nie oznacza, że kubki będą ulegać biodegradacji w takim samym stopniu w dowolnym środowisku.
Z laboratorium do fabryki w Świdwinie
Opracowanie kompozytu było pierwszym etapem. Kolejnym stało się sprawdzenie, czy materiał nadaje się do produkcji gotowych wyrobów na skalę większą niż laboratoryjna.
Studenci nawiązali współpracę z przedsiębiorstwem BIO PLAST POM w Świdwinie, gdzie przeprowadzili próby na przemysłowych maszynach do formowania wtryskowego.
W laboratorium pracowali na niewielkich próbkach. W fabryce musieli sprawić, by opracowany materiał nadawał się do powtarzalnej produkcji gotowych kubków. Wymagało to odpowiedniego doboru temperatury, ciśnienia i parametrów wtrysku, tak aby kompozyt prawidłowo wypełniał formę.
Ostatecznie udało się wyprodukować ponad 120 kubków z biopolimeru PHBV z dodatkiem naturalnego korka.
– Największa satysfakcja przyszła, kiedy z formy zaczęły wychodzić pierwsze udane egzemplarze – wspominają studenci.
Kolejny etap: bezpieczeństwo i nowe zastosowania
Opracowany materiał może w przyszłości znaleźć zastosowanie również w produkcji tacek, misek i pojemników na gorące posiłki. Zanim jednak takie wyroby mogłyby trafić do użytkowników, konieczne są dalsze badania, przede wszystkim dotyczące bezpieczeństwa kompozytu w kontakcie z żywnością.
Zespół planuje również przygotowanie publikacji naukowej opisującej przebieg badań i uzyskane wyniki. Studenci nie wykluczają dalszej współpracy z przedsiębiorstwami ani przyszłej komercjalizacji swojego rozwiązania.
Projekt zrealizowany w ramach „Uczelni Przyszłości”
Projekt pod pełną nazwą „Biodegradowalne kompozycje z PHA z granulatem korkowym do termoizolacyjnych wyrobów jednorazowego użytku” powstał w ramach ogólnopolskiej inicjatywy „Uczelnie Przyszłości”. Program umożliwia studentom rozwijanie autorskich pomysłów, zdobywanie doświadczenia badawczego oraz współpracę z przedstawicielami nauki i biznesu.
Opiekunem zespołu jest dr inż. Maciej Sienkiewicz. Działania programu na Politechnice Gdańskiej koordynuje Biuro Młodych Naukowców, a kierownikiem projektu na PG jest dr hab. inż. Mariusz Kaczmarek, prof. uczelni, prorektor ds. kształcenia. Instytucją koordynującą projekt jest Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
