Projekti / Programi
Reološko obnašanje in mehanske lastnosti pri procesiranju polimernih sistemov z visoko koncentracijo trdnih delcev
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
polimerno kovinski kompoziti, polimeri z visoko stopnjo polnitve, reologija, procesiranje, modeliranje toka materiala
Raziskovalci (10)
Organizacije (2)
Povzetek
Kompoziti z visoko koncentracijo trdnih delcev (»highly filled«, v nadaljevanju VK kompoziti) ali koncentrirane suspenzije so po navadi polimeri z velikim volumskim deležem polnila ali delcev (anorganskih ali organskih), ki so lahko makro-, mikro- ali nano velikosti. Ti delci lahko imajo raznovrstno kemijsko sestavo, obliko, velikosti in porazdelitve velikosti. V splošnem so namenjeni izboljšanju specifičnih lastnosti polimernega kompozita, kar lahko vključuje reološke, mehanske, dielektrične, prevodne, optične, luminiscenčne in druge lastnosti. Zaradi svoje vsestranskosti se VK kompoziti nahajajo v številnih panogah, kot so avtomobilska industrija, proizvodnja aditivov, biomedicina, področje baterij, keramike, kompozitov, magnetizma, elektronska embalaža, trdna goriva, beton in druge.
Predelava VK kompozitov je lahko težavna, saj so za obdelavo teh materialov in pridobivanje želene strukture v splošnem potrebne visoke temperature in strižne hitrosti. Visoko-koncentrirani polimeri v talini izkazujejo nelinearno reološko vedenje, kot so: zdrs ob stenah, ločevanje delcev od polimernega veziva, nabrekanje in površinske nestabilnosti. Na področju visoko-koncentriranih polimerov je bilo opravljenih več študij, zlasti za polimere z nizko viskoznostjo (suspenzije). Pri polimerih z visoko viskoznostjo pa najdemo ugotovitve, ki so pogosto protislovne, mehanizmi za njihovo vedenje pa niso dobro razumljeni. Trenutno tudi še ni na voljo matematičnih modelov, ki bi lahko natančno napovedali tok VK kompozitov v talini, saj obstoječi modeli ne upoštevajo vpliva strižne hitrosti in koncentracije delcev na reološko vedenje taline.
Zato je vsebina tega projekta namenjena sistematičnemu eksperimentalnemu proučevanju posameznih komponent VK kompozitov in njihovega vpliva na reološke in predelovalne lastnosti, ter na lastnosti trdnih VK kompozitov. Poleg tega bodo pridobljeni eksperimentalni podatki uporabljeni za razvoj izboljšanih tokovnih modelov.
Natančneje, cilj predstavljenega projekta je določiti glavne mehanizme, ki so odgovorni za reološko vedenje VK kompozitov, na osnovi lastnosti posameznih komponent. Identifikacija glavnih mehanizmov bi omogočila pravilno izbiro posameznih komponent in procesnih pogojev za boljšo predelavo VK kompozitov, kar bi vodilo k bolj homogeni porazdelitvi delcev znotraj polimerne matrice in s tem večji učinkovitosti končnih (mehanskih in morebitnih funkcionalnih) lastnosti takšnih materialov.
Lastnosti posameznih komponent in pogoji predelave vplivajo tudi na mehanske lastnosti trdnih VK kompozitov. Tako drugi cilj predlaganega projekta vključuje proučevanje učinka posameznih komponent in njihovih reoloških lastnosti (npr. tokovno obnašanje) med predelavo na mehanske lastnosti trdnih kompozitov.
Tretji del projekta vključuje modeliranje tokovnega vedenja, saj le-to omogoča vpogled na vpliv posameznih komponent na celotno vedenje VK kompozitov. Cilj tega dela projekta je izboljšati obstoječe tokovne modele z vključitvijo ne samo volumskega deleža, ki ga zasedajo trdni delci in maksimalne koncentracije trdnih delcev, temveč tudi procesnih parametrov, kot so strižna hitrost, temperatura in tlak. Izboljšani model bo upošteval tudi interakcije delec-delec in matrica-delec, kot posledica različnih površinskih lastnosti trdnih delcev.
Če povzamemo, rezultati projekta bodo pomagali razumeti, kako posamezne komponente VK kompozitov vplivajo na reološko (tokovno) vedenje in hkrati na mehanske lastnosti trdnih kompozitov. Izboljšani tokovni modeli bodo omogočili natančnejše napovedovanje vedenja VK polimerov, zato bo razvoj novih ali izboljšanih kompozitnih materialov in proizvodnih procesov bolj zanesljiv in hitrejši.
Pomen za razvoj znanosti
Cilji projekta:
- prepoznati in razumeti glavne mehanizme, odgovorne za reološko vedenje kompozitov z visoko koncentracijo trdnih delcev (VK kompoziti) na podlagi karakterizacije posameznih komponent
- identificirati vpliv posameznih komponent na lastnosti VK kompozitov
- na podlagi eksperimentalnih rezultatov nadgraditi obstoječe tokovne modele (vključitev strižne hitrosti, temperaturne odvisnosti viskoznosti in delež polnila).
Zaradi pomanjkanja znanja na področju VK kompozitov, bo projekt pomembno prispeval k razvoju znanosti:
1. Temeljno razumevanje mehanizmov vedenja VK kompozitov v talini
Pretekle raziskave na področju reologije VK kompozitov so pokazale nasprotujoče si pojave in vedenja, kar je pričakovano, saj ima vsaka posamezna komponenta močan vpliv na vedenje celotnega sistema.
Uporaba sistematičnega pristopa ter obsežnih eksperimentalnih podatkov o vedenju VK kompozitov bo omogočila razumevanje osnovnih mehanizmov, odgovornih za tok materiala. Razumevanje bo vključevalo razlago vpliva lastnosti delcev, veziva in aditivov ter procesnih pogojev na tok VK kompozitov.
2. Vpliv posameznih komponent na mehanske lastnosti VK kompozitov v trdnem stanju
Sestava VK kompozitov močno vpliva tudi na mehanske lastnosti predelanega materiala v trdnem stanju. Dobljenih eksperimentalni podatki dobo omogočili identifikacijo mehanizmov, ki vplivajo na lastnosti VK kompozitov v trdnem stanju.
3. Nadgradnja tokovnih modelov VK kompozitov
Obstoječi modeli ne upoštevajo kompleksne narave vedenja VK kompozitov, z dobljenimi eksperimentalnimi podatki pa bo mogoče nadgraditi obstoječe modele tako, da bodo upoštevali tok materiala, delež polnila, maksimalni delež polnila ter procesne pogoje. S tem bo znanstveno področje VK polimerov dobilo novo orodje za natančno napovedovanje vedenja VK kompozitov, ki bo omogočilo izdelavo novih in izboljšanih kompozitnih materialov ter optimizacijo procesnih pogojev.
4. Diseminacija rezultatov študentom
Ugotovitve projekta bodo vključene v učne snovi pri predavanjih, v praktična dela, seminarje in diplome. S tem bo razširjeno pridobljeno znanje ter razumevanje mehanizmov vedenja VK kompozitov na mlade inženirje, ki bodo ta znanja prenesli v svoje bodoče delo.
5. Diseminacija rezultatov v ustrezno industrijsko okolje in širše
VK kompoziti so široko uporabljani v mnogih inž. področjih (avtomobilska in predelovalna ind., biomedicina, keramika, baterije, magneti, ...), kjer bo temeljno znanje, pridobljeno v sklopu projekta, pomagalo pri oblikovanju novih izdelkov, procesov, izboru ustreznih procesnih pogojev in optimizaciji obstoječih procesov. Projektni partnerji bodo pridobljeno znanje prenesli v industrijsko okolje preko osebnih stikov ter z organiziranjem namenskih seminarjev.
Poskrbeli bomo tudi za diseminacijo rezultatov v ugledne znanstvene revije in predstavitve rezultatov na nacionalnih in mednarodnih konferencah. Informacije in eksperimentalni rezultati bodo po končanem projektu na spletni strani dostopni tudi ostalim raziskovalcem.
Pomen za razvoj Slovenije
Project goals:
- identify and understand mechanisms governing the rheological behavior of highly filled (HF) composites based on the characteristics of individual components
- identify the influence of the components on mechanical properties of HF solid composites
- improve the existing flow models (incorporating shear rate, temperature dependent viscosity and particle loading)
Due to the lack of knowledge in the field of HF composites, the project will make a significant contribution to the development of science:
1. Basic understanding of mechanisms governing the behavior of HF composites in molten state
Past research on rheology of HF composites has shown contradictory phenomena, since each individual component has a strong influence on the behavior of the whole system.
The use of systematic approach and extensive experimental data on the behavior of HF composites will allow to understand the basic mechanisms responsible for the flow of material. An explanation of the influence of the properties of particles, binders and additives, and process conditions on HF composites will be obtained.
2. Effect of the components on mechanical properties of solid HF composites
The composition of HF composites affects also the properties (mechanical) in solid state. An extensive experimental data, allowing to find mechanisms affecting the properties of solid HF composites, will be obtained.
3. Improved models for flow behavior of HF composites
Existing models don’t consider complex nature of the behavior of HF composites. The obtained experimental data will enable the upgrading of the existing models with consideration of flow behavior, volume fraction, maximum packing fraction and process conditions. The scientific field of rheology and HF polymers will obtain new modeling tool for accurate prediction of flow behavior of HF polymers, enabling the development of new or improved composite materials with better properties and optimized conditions for processing.
4. Dissemination of the results to students
The findings of the project will be presented and incorporated into the courses at the Faculties, seminars, practical work and diplomas. This will help to disseminate the obtained knowledge and understanding to young engineers and their future work.
5. Dissemination of the results to industry
HF composites are found in many industries (automotive, processing, biomedical, batteries, ceramics, …), where the results of the project will be of great interest and the fundamental knowledge will help at designing new products, processes and selecting proper processing conditions or just optimizing the existing ones. Project partners will transfer the obtained knowledge into industrial environment through personal contacts and by organizing seminars.
The results will be published in reputable scientific journals and at national and international conferences. Information and experimental results will be accessible to other researchers on the website after completion of the project.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
