Tworzywa sztuczne, np. plastikowe przegrody torów pływackich na basenach czy opakowania do żywności, powstają w specjalnych maszynach – wytłaczarkach. Ich zasada działania przypomina nieco olbrzymie maszynki do mielenia mięsa. Do pojemnika zasypowego wrzuca się granulat oraz różne dodatki, z których ma powstać finalny produkt. Po zmieleniu przez specjalne ślimaki (można je porównać do nożyków i śruby w maszynce do mięsa) oraz podgrzaniu dochodzi do wymieszania i łączenia się cząsteczek, a z maszyny wytłaczany jest gotowy profil, np. rura lub folia. Tak powstają np. nanokompozyty, czyli połączenie polimerów (główny składnik wszelkich tworzyw sztucznych) z nanozwiązkami. Dzięki temu finalny produkt (folia) przepuszcza np. parę wodną (może to mieć zastosowanie przy pakowaniu chleba – materiał, który nie ma takiej cechy, powodowałby szybsze psucie się pieczywa). Poprzez użycie konkretnej mieszanki różnych rodzajów granulatów możemy stworzyć produkt o właściwościach, których akurat potrzebujemy, np. o określonej twardości czy cechach biobójczych uniemożliwiających rozwój bakterii. Różnorodność jest naprawdę duża.

Problem pracy wytłaczarek polega na tym, że w wyniku tarcia różnych granulatów i dodatków temperatura w urządzeniu może wzrosnąć nawet do 300 st. Celsjusza. Konsekwencją przegrzania tworzywa sztucznego jest to, że może ono zacząć się lać, a nawet degradować – rozkładać. Jeśli zaś temperatura będzie za niska, tworzywo nie zostanie uplastycznione, ponieważ granulaty różnego rodzaju się nie połączą. – Dlatego w procesie wytwarzania kluczowe jest, by utrzymywać temperaturę w konkretnym przedziale, co wbrew pozorom nie jest proste. Niestety, w trakcie wytłaczania różnych materiałów może ona niespodziewanie rosnąć mimo stosowania tradycyjnego chłodzenia – wyjaśnia dr inż. Zbigniew Frąszczak z toruńskiego Instytutu Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników. To właśnie tutaj opracowano układ grzewczo-chłodzący segmentu cylindra zespołu uplastyczniającego, czyli system, który pozwala na bardzo precyzyjną regulację temperatury w wytłaczarkach przetwarzających tworzywa sztuczne. – Często przy tego typu maszynach stosuje się chłodzenie powietrzem. Trudność leży w tym, że wtedy obniżanie temperatury metalowych segmentów wchodzących w skład wytłaczarki jest utrudnione – w różnych punktach bloku, np. wewnątrz i na zewnątrz cylindra, mogą wystąpić różne temperatury i trudno to regulować – tłumaczy dr inż. Frąszczak.

Inżynierowie z miasta Kopernika postawili więc na wodę, która w ich wynalazku stała się medium chłodzącym (czasem w celu lepszego osiągnięcia efektu można ją uszlachetniać dodatkami poprawiającymi przewodność cieplną i zamiast wody stosować mieszaniny chłodzące). Dodatkowo w metalowych segmentach wytłaczarek wykonali specjalne kanaliki – dzięki temu mogą je chłodzić także od środka, co pozwala na lepsze odprowadzenie ciepła w całym bloku. – Ale największa innowacja tego układu chłodzenia polega na tym, że wprowadziliśmy dodatkowy zawór – mówi mgr inż. Sławomir Miszewski, który wchodzi w skład zespołu wynalazców. – Dotychczas układy chłodzące instalowane w wytłaczarkach wykorzystywały jeden zawór, który działał na zasadzie zero-jedynkowej: woda leciała albo nie. My dołożyliśmy do tej konstrukcji zawór precyzyjny pozwalający na dozowanie strumienia medium chłodzącego. Dzięki temu możliwości utrzymania temperatury w stałym, ograniczonym przedziale są znacznie większe – dodaje naukowiec. Jest to wynalazek, który bazuje na nowatorskim zastosowaniu elementu powszechnie dostępnego w miejscu, w którym nikt go dotychczas nie umieścił. W tym wypadku termoregulator, elektrozawór, zawór precyzyjny i odpowiednie oprogramowanie pozwalają na regulowanie temperatury w stopniu, który dotychczas był niemożliwy.

Geneza tego wynalazku jest zaskakująco praktyczna. Torunianie zajęli się problemem, ponieważ zgłosił się do nich klient – firma przetwarzająca tworzywa sztuczne. Przedsiębiorca chciał zwiększyć wydajność swojej wytłaczarki. Głównym problem było właśnie przegrzewanie się maszyny przy bardziej intensywnej produkcji. Dzięki pomysłowi naukowców wydajność maszyny wzrosła radykalnie. Zamiast produkcji 150 kg na godzinę możliwe jest pozyskanie aż 500 kg produktu finalnego. Dodatkowo udało się również podnieść jakość gotowych produktów, poprawiając ich jednorodność materiałową. Co istotne, poszerzyło to możliwości mieszania różnych granulatów z dodatkami i dzięki temu można tworzyć nowe materiały, chociażby tworzywa sztuczne ze wspominanymi nanozwiązkami (wcześniej było to utrudnione właśnie z powodu zbyt dużego wzrostu temperatury, do którego dochodziło podczas tarcia różnych materiałów wewnątrz cylindra wytłaczarki).

Wykonywanie konkretnych zleceń dla klienta nie jest dla naukowców z powstałego w 1962 r. Ośrodka Badawczo-Rozwojowego niczym szczególnym – ta placówka bardzo ściśle współpracuje z przemysłem. Na co dzień ponad stu pracowników prowadzi badania naukowe oraz prace rozwojowe w zakresie inżynierii materiałowej, technologii wytwarzania, przetwarzania i recyklingu materiałów polimerowych, materiałów kompozytowych, gumy, farb czy lakierów i barwników. Działalność instytutu obejmuje również produkcję maszyn i kompletnych linii technologicznych do produkcji, przetwarzania i recyklingu materiałów polimerowych czy opracowywanie nowych technologii produkcji oraz doboru odpowiednich surowców do wytwarzania ściśle określonych wyrobów. – Opracowanie każdej innowacji wymaga bardzo dokładnych wyliczeń i wielu prób. Ale do stworzenia wynalazku potrzebna jest też intuicja, a czasem łut szczęścia – opowiada dr inż. Zbigniew Frąszczak. – Inspiracja może przyjść z każdej strony. Czasem trzeba wskoczyć do wanny, czasem siąść pod drzewem i pozwolić, by jabłko spadło na głowę.