Foresight technologiczny w zakresie materiałów polimerowych Scenariusze rozwoju technologicznego w zakresie Elastomery (wytwarzanie i przetwórstwo) Panele robocze M3 i P3 na konferencji zamykającej projekt Foresight technologiczny w zakresie materiałów polimerowych Główny Instytut Górnictwa, Katowice 14 maja 2008 r. Bolesław Jurkowski (PP), Danuta Żuchowska (PWr), Barbara Jurkowska (OBR PO Stomil)

Krótka charakterystyka obszaru badań aktualne kierunki badań Funkcjonalizacja elastomerów, np. karboksylacja, epoksydowanie, Nowe elastomery termoplastyczne, np. polieteroestry, poliuretany – unowocześnienie wytwarzania i przetwarzania, Technologia gumy, Kompozyty/nanokompozyty elastomerowe, Modyfikacja powierzchni wyrobów, Udoskonalenie konstrukcji urządzeń mieszających polimery z nanonapełniaczami i innymi dodatkami.

Krótka charakterystyka obszaru badań aktualny stan badań Polskie Ośrodki Badawcze mają doświadczenia w wymieniowych obszarach badań. Problemy badawcze, nad którymi pracują polskie zespoły powinny być zgodne z priorytetami europejskimi – obecnie rozproszenie. Istnieje konieczność wytypowania tych obszarów, w których polska nauka ma potencjał oraz szanse na rozwój i skuteczne konkurowanie na arenie międzynarodowej. Zwiększenie nakładów do porównywalnych z nakładami w wiodących w tym zakresie krajach.

Krótka charakterystyka obszaru badań aktualny stan badań Realizowane są prace w zakresie: Technologii wytwarzania wyrobów małotonażowych z nanokompozytów z wykorzystaniem nanomodyfikatorów (sadzy, krzemionki drobnodyspersyjnej, montmorylonitu, fulerenów) otrzymanych oryginalnymi metodami zwiększającymi kompatybilność z matrycą elastomerową. Nanomodyfikatorów jako nukleantów krystalizacji i regulatorów udziału poszczególnych faz krystalicznych w polimerze i ich wpływu na właściwości nanokompozytów.

Krótka charakterystyka obszaru badań aktualny stan badań Konstrukcji urządzeń mieszających składniki kompozytów w celu poprawy jakości i wydajności. Modyfikacji powierzchni wyrobów w celu poprawy ich właściwości użytkowych. Wpływu nanomodyfikatorów oraz modyfikowanych chemiczne elastomerów wykorzystując prototypowe urządzenia mieszające stosowane też do reaktywnego przetwarzania, recyklingu oraz wytwarzania w sposób stosunkowo wydajny nowych materiałów polimerowych.

Diagnoza – gdzie jesteśmy Światowa produkcja materiałów polimerowych w 2004 r. – 224 mln t (w przybliżeniu 224 mln m3) w porównaniu do produkcji stali 1 060 mln t (w przybliżeniu 133 mln m3) Dane wg 2005 Nazwa firmy Sprzedaż Zatrudnienie mld USD Najwięksi producenci surowców dla przemysłu polimerów BASF - Niemcy 50,63 80 945 Dow Chemicals - USA 46,30 42 413 Bayer - Niemcy 32,43 93 700 Shell Chemicals - Wlk. Brytania 29,5 8 500 DU Pont - USA 28,45 60 000 ExxonMobile Chemicals - USA 26,78 brak danych Mitsubishi Chemicals - Japonia 18,23 33 496 Innovene (INEOS) – Wlk. Brytania 15 > 8 000 Tota l - Francja 26,44 112 877

Diagnoza – gdzie jesteśmy Innowacyjność produktów wytwarzanych w Polsce wynika przede wszystkim z nowych technologii wprowadzanych w zakładach należących do kapitału obcego. Technologie te są opracowywane poza Polską. Eurostat nie wymienia ani jednego regionu w Polsce, w którym są zaawansowane technologie. Dlaczego? bo nakłady na B + R w Unii w 2006r wynosiły 1,84% PKB, a w Polsce 0,56% PKB.

Diagnoza – gdzie jesteśmy Nakłady na działalność innowacyjną w Polsce w 2006 r wg Rocznika Statystycznego GUS Rodzaj przemysłu Nakłady, mln zł ogółem B + R zakup licencji inwestycje szkolenie personelu maszyny budynki Przemysł, ogółem, w tym 16 558 1517 338 9 743 3 781 42 - Górnictwo 448 17 3 318 1 016 0,2 - Przetwórstwo przemysłowe, 15 226 1 444 308 8 963 3 480 37 - Produkcja wyrobów gumowych i z two- rzyw sztucznych 964 74 14 666 188 - Produkcja pojazdów samochodowych, przyczep i naczep 1 431 333 55 842 144 6

Diagnoza – gdzie jesteśmy Nakłady na działalność innowacyjną w Polsce w 2006 r. w mln zł wg Rocznika Statystycznego

Diagnoza – gdzie jesteśmy Liderami w zakresie wytwarzania wielkotonażowych elastomerów są USA, niektóre kraje w Europie oraz w Azji. Technologie wielkotonażowe są kosztowne i pracochłonne, dlatego przemysł polski nie może konkurować w tym zakresie. Polska ma szanse na opracowanie i realizowanie technologii niszowych, małotonażowych, tzn. takich, których produkty będą miały unikatowe właściwości. Naszymi atutami są stosunkowo niskie koszty pracy oraz dobrze wyszkolona kadra.

Silne/słabe strony Wysoki poziom wielu badań podstawowych i stosowanych - liczne publikacje zagraniczne pomimo ograniczonych środków (duża część środków na badania statutowe wspomaga dydaktykę), mało patentów. Duży potencjał wyższych uczelni i PAN, ale doktoranci będący na świecie podstawową siłą napędową badań naukowych z powodu obciążania nadmierną liczbą godzin zajęć dydaktycznych, których wartość w przybliżeniu pokrywa koszt stypendiów, wykonują znacznie mniej badań niż mogliby.

Silne/słabe strony Specjalizacja i silna pozycja międzynarodowa w dziedzinie modyfikacji i przetwórstwa elastomerów oraz badania ich struktury i właściwości, Uruchomienie Programu Foresight dla obszaru materiały,

Silne/słabe strony Wzrost liczby projektów finansowanych z budżetu w obszarze nanotechnologii, których częścią są elastomery, oraz wzrost budżetów tych projektów, realizowanych tylko w wybranych ośrodkach, nie zawsze mających duży dorobek publikacyjny i/lub wdrożeniowy. Entuzjazm uczonych.

Silne/słabe strony Spora liczba innowacyjnych rozwiązań technologicznych i konstrukcyjnych (rosnące doświadczenie badaczy), które nie znajdują zainteresowania lub możliwości wdrożenia w przemyśle. Spora liczba młodych wykształconych ludzi skłonnych do tworzenia własnych małych przedsiębiorstw.

Strategiczne kierunki rozwoju technologii W monografii ograniczono opis do następujących technologii z zakresu wytwarzania elastomerów: technologia nowych elastomerów specjalnych, chemiczna modyfikacja elastomerów oraz przetwórstwa elastomerów: technologia łączenia różnych materiałów, technologia przetwórstwa kształtującego strukturę, energooszczędne technologie wprowadzenia trudnomieszalnych napełniaczy.

Strategiczne kierunki rozwoju technologii Gdzie wykorzystać te technologie? I po co?

Strategiczne kierunki rozwoju Wizje rozwoju technologicznego Wysokosprawne materiały elastomerowe Nowe elastomery o dobranych właściwościach użytkowych m.in. długotrwałej wytrzymałości oraz sterowania zmianami cech trybologicznych i powierzchniowych; o zmniejszonej gęstości (materiały z porami o wymiarach submikro i nanometrów), Modernizacja technologii - szczególnie poprawa jednorodności produktów i powtarzalności właściwości. Możliwe kierunki rozwoju: zastosowanie nanomateriałów polimerowych zawierających fulereny, fosforofluoroorganikę, montmorylonit, nanokrzemionkę, nanocząstki metali oraz nanowłókna. Koszty: nieznane. Wielkość rynku: w przemyśle lotniczym i energetyki alternatywnej nieznane, a w przemyśle motoryzacyjnym znaczne, bo w 2008 planuje się wytworzyć w Polsce 1100 000 samochodów osobowych, a w latach następnych jeszcze więcej.

Strategiczne kierunki rozwoju Wizje rozwoju technologicznego Rozwój materiałów elastomerowych z udziałem surowców bioodnawialnych Nowe i zmodyfikowane elastomery z biodegradowalnymi napełniaczami (z surowców bioodnawialnych), Zmniejszenie obciążeń środowiska przez wyroby zużyte i wybrakowane oraz produkty ich rozpadu, zmniejszenie uzależnienia gospodarki od importu ropy naftowej. Możliwe kierunki rozwoju: stosowanie modyfikowanej małocząsteczkowej skrobi, jako napełniacza elastomerów oraz włókien naturalnych zamiast szklanego, modyfikacja systemów poliuretanowych poliolami z olejów roślinnych. Koszty: nieznane Wielkość rynku: zależnie od uregulowań prawnych w zakresie ochrony środowiska, duże perspektywy stosowania materiałów wysokosprawnych obszarze budownictwa oraz maszyn rolniczych.

Strategiczne kierunki rozwoju Wizje rozwoju technologicznego Rozwój lotnictwa, energetyki alternatywnej Wymagania stawiane materiałom są podobne lub większe jak w przypadku motoryzacji – podstawą będzie udoskonalenie technik opracowywanych dla motoryzacji, Poszukiwanie nowych niekonwencjonalnych źródeł energii. Możliwe kierunki rozwoju: zastosowanie nanomateriałów polimerowych zawierających fulereny, fosforofluoroorganikę, montmorylonit, nanokrzemionkę, nanocząstki metali oraz nanowłókna. Koszty: nieznane. Wielkość rynku: przemysł lotniczy i jego kooperanci.

Strategiczne kierunki rozwoju Wizje rozwoju technologicznego Materiały dla zaawansowanych technik wytwarzania Dla rozwoju motoryzacji, lotnictwa i energetyki alternatywnej potrzebne są nowe technologie, które wymagają używania nowych materiałów, Opracowanie zaawansowanych technik wytwarzania ściśle uzależnione od wdrożeń w zakresie wytwarzanie materiałów polimerowych. Możliwe kierunki rozwoju: zastosowanie nanomateriałów polimerowych i modyfikacja powierzchni wyrobów i surowców metodami energetycznymi: bombardowanie/implantacja jonowa, obróbka plazmą. Koszty: nieznane. Wielkość rynku: w przemyśle lotniczym i energetyki alternatywnej nieznane a w przemyśle motoryzacyjnym znaczne.

Strategiczne kierunki rozwoju Wizje rozwoju technologicznego Rozwój motoryzacji Konieczne wprowadzenie nowych technologii i/lub rozwój obecnie stosowanych oraz technik przetwórczych o wysokim poziomie automatyzacji i robotyzacji. Ograniczenia: rosnące koszty paliw, trudności w ekonomicznym recyklingu wyrobów gumowych, brak informacji o potencjalnych możliwościach recyklingu nanokompozytów polimerowych zawierających fulereny, fosforofluoroorganikę oraz nanowłókna i nanorurki. Możliwe kierunki rozwoju: wprowadzenie nanomateriałów i nowych lub zmodyfikowanych chemicznie i/lub fizycznie polimerów, nanokompozytów zawierających fulereny, fosforofluoroorganikę, montmorylonit, nanokrzemionkę, nanocząstki metali oraz nanowłókna. Koszty: nieznane. Wielkość rynku: w 2008 planuje się wytworzyć w Polsce 1100 000 samochodów osobowych, a w latach następnych jeszcze więcej.

Uwagi ogólne dotyczące rozwoju technologii wytwarzania i przetwórstwa elastomerów Ograniczenia - zbyt małe nakłady na prace badawcze i badawczo-wdrożeniowe, - brak długookresowej polityki państwa w zakresie preferowanych kierunków rozwoju gospodarki Obecny poziom rozwoju: poniżej wysokorozwiniętych krajów EU. Czas do wdrożenia: 5-10 lat od zakończenia prac badawczych pod warunkiem odtworzenia bazy badawczo-wdrożeniowej.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Kluczowym rozwijanie technologii związanych z rozwojem motoryzacji. Wymagania stawiane tym wyrobom są bardzo wysokie i znacznie różnią się między sobą. Aby spełnić te wymagania konieczne jest opracowanie wysokosprawnych materiałów polimerowych - w tym opartych na ekologicznych technologiach - dla zaawansowanych technik wytwarzania i przetwarzania. Trudno pogodzić wymagania istotnej poprawy właściwości użytkowych wyrobów z minimalizacją wpływu technologii ich wytwarzania na środowiska.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Rozwój motoryzacji wymusza szybki rozwój przemysłu wytwarzania i przetwarzania elastomerów. Technologie opracowane dla motoryzacji będą mogły być wykorzystane do wytwarzania innych wyrobów potrzebnych w wielu dziedzinach gospodarki.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Technologie, które potencjalnie będą mogły być wdrażane w małych i średnich przedsiębiorstwach Elastomery estro-olefinowe napełniane nanocząstkami in situ i funkcjonalizowane olefinowe elastomery termoplastyczne. Technologie mieszania elastomerów z nanonapełniaczami. Technologie łączenia elastomerów na gorąco. Mikrowtryskiwanie elastomerów termoplastycznych z nanocząstkami.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Ekologiczne - zaawansowane technologie Opracowanie nowych elastomerów zgodnie z zasadami high technology oraz nieobciążających środowisko technologii ich przetwórstwa. Elastomery te powinny umożliwiać wytworzenie produktów o polepszonych właściwościach użytkowych. Nowe technologie powinny być energooszczędne, wodooszczędne, wysokowydajne, z ograniczoną pracochłonnością, ze szczególnym uwzględnieniem ochrony pracy ludzkiej. Możliwe kierunki rozwoju: likwidacja stosowania rozpuszczalników organicznych, stosowanie nanoporów, zastępowanie gumy elastoplastami. Koszty: nieznane Wielkość rynku: zależnie od uregulowań prawnych w zakresie ochrony środowiska.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Rozwój nanotechnologii w tym modyfikacja elastomerów zależy od: Opracowania podstaw teoretycznych (fizyka i chemia zjawisk w skali nano) dla wyjaśnienia przyczyn poprawy właściwości obserwowanych czasami podczas badań doświadczalnych, dotyczących szczególnie materiałów z gradientem struktury, klasterami i mezofazami o regulowanej budowie; Oszacowania wpływu na środowisko wytwarzania i użytkowania oraz recyklingu wyrobów elastomerowych;

Dokąd zmierzamy – wyzwania Opracowania metod specjalnych badań elastomerów, czułych na zmiany struktury na poziomie nano, na przykład dla optymalizacji technologii zapewniającej uzyskanie żądanych właściwości fizycznych lub chemicznych; Opracowania ujednoliconego nazewnictwa oraz znormalizowanych badań kontrolnych elastomerowych nanomateriałów.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Wykonanie tego zakresu prac jest kosztowne i czasochłonne, ale możliwe w oparciu o kadry zatrudnione w Uczelniach, PAN, jednostkach badawczo-rozwojowych i w przemyśle, jeśli skoncentrujemy się tylko na wybranych, traktowanych priorytetowo, kierunkach rozwoju, jeśli stworzymy zachęty materialne dla młodzieży – bez stworzenia warunków finansowych konkurencyjnych z pracą za granicą młodzież nie będzie garnęła się do studiów w zakresie nauk technicznych i ścisłych oraz potem do studiów podyplomowych i doktoranckich.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Konieczne jest opracowanie długofalowej ponadpartyjnej polityki prorozwojowej państwa, wzrost nakładów na finansowanie prac rozpoznawczych i szkolnictwa wyższego oraz na współfinansowanie prac badawczo-rozwojowych.

Dokąd zmierzamy – wyzwania Dla stworzenia przesłanek finansowych do badań ukierunkowanych na wykorzystanie ich wyników w małych i średnich przedsiębiorstwach należy tak zmodyfikować przepisy podatkowe, aby promowały one badania potencjalnie możliwe do wykorzystania i po wspólnym dopracowaniu koncepcji technologii opracowanych na Uczelniach, w PAN i w JBR’ach do wdrożenia w tych przedsiębiorstwach.

Dziękuję za uwagę

Dokąd zmierzamy Zakres prac dotyczących rozwoju technologii ELASTOMERÓW Sformułowanie wizji nowej technologii, Urealnienie tej wizji w oparciu o badania przeprowadzone na urządzeniach w skali laboratoryjnej oraz półtechnicznej i dokonanie analizy ekonomicznej zasadności uruchomienia produkcji w oparciu o analizowaną technologię, Pokazanie wyników tych badań i analiz ekonomicznych przemysłowi lub stworzenie nowego przedsiębiorstwa innowacyjnego w celu stworzenia bazy materialnej do ewentualnego wdrożenia, Określenie potencjalnego rynku zbytu i odbiorców oraz skali produkcji, Dopracowania technologii do skali przemysłowej oraz wdrożenie jej, Wprowadzenie nowego produktu na rynek.