Projekti / Programi
Inteligentni polimerni materiali in tehnologije
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T390 |
Tehnološke vede |
Polimerska tehnologija, biopolimeri |
polimerni materiali, makro- in nano-kompoziti, inteligentno vedenje, večdimenzijske interakcije, časovno odvisno vedenje materialov in konstrukcij, konstitutivno modeliranje, vpliv tlaka, temperature, vlage in mehanske obremenitve, tehnologija predelovanja
Raziskovalci (10)
Organizacije (1)
Povzetek
Raziskovalna skupina ima dolgoletne izkušnje s študijem vedenja časovno odvisnih materialov, predvsem polimerov ter njihovih kompozitov. Polimerni materiali so med procesom predelovanja pogosto izpostavljeni velikim spremembam temperature in tlaka. V tem procesu prihaja do solidifikacije taline in formiranja strukture materiala, ki definira vedenje materiala v trdnem stanju. Nelinearni viskoelastični model 'Knauss-Emri', ki je bil razvit v skupini, omogoča matematični popis vpliva tlačne, temperaturne, mehanske in vlažnostne zgodovine, ki ji je material izpostavljen v proizvodnem procesu in med uporabo.
Skupina razvija unikatne merilne sisteme za študij vpliva robnih pogojev (tlaka, temperature, vlage in mehanske obremenitve) ter začetne kinetike (t.j. kemijske strukture) na proces solidifikacije taline, v katerem prihaja do formiranja strukture materiala. Pripadajoče orodje tem merilnim sistemom je lastna (v skupini razvita) programska oprema za interkonverzijo materialnih funkcij in izračun mehanskega spektra, ki temelji na algoritmu 'Emri-Tschoegl'. Mehanski spekter je kvalitativno povezan z distribucijo molekularnih mas (t.j. kemijsko strukturo), ki definira začetno kinetiko organiziranja molekularnih struktur.
Nelinearni model 'Knauss-Emri', razvita merilna oprema in pripadajoča programska oprema predstavljajo unikatno orodje za študij in analizo povezave med kemijsko strukturo in makroskopskimi fizikalnimi lastnostmi polimernega materiala v trdnem stanju. Omenjeni pristop omogoča optimizacijo procesnih pogojev in razvoj nove generacije polimernih materialov. Na osnovi tega pristopa je skupina v sodelovanju z največjim svetovnim proizvajalcem polimernih materialov, nemškim koncernom BASF, dosegla pet tehnoloških prebojev na področju razvoja nove generacije termoplastičnih polimerov (I-Polymers), ki so bili patentno zaščiteni v 156 državah in neodvisno s petimi patenti v ZDA.
Cilj tega programa je študij vpliva termo-mehanskih robnih pogojev (t.j. tehnologije) na formiranje strukture materiala, ki je rezultat nelinearnih interakcij procesov reorganizacije polimernih verig na različnih časovno-prostorskih skalah. Raziskovalno delo poteka na treh ravneh, ki predstavljajo prehod iz laboratorijskih v industrijske razmere: a) laboratorijske razmere: študij vpliva kontroliranih robnih pogojev na kompleksnost strukture materiala. To pomeni, da izdelovanje preizkušancev poteka na način, ki omogoča natančen nadzor zgodovine temperaturne in tlačne obremenitve; b) semi-industrijske razmere: simulacija kontroliranih robnih pogojev, opredeljenih v prejšnji fazi raziskav, na instrumentiranih laboratorijskih ekstrudorjih in brizgalnih strojih, ki bodo kupljeni za namene izvajanja predlaganega raziskovalnega programa. To predstavlja prvi korak v smeri zagotavljanja potrebnih robnih pogojev za formiranje superstruktur v realnih predelovalnih procesih; c) industrijske razmere: prenos tehnologije predelovanja polimernih materialov v industrijske pogoje.
Za študij vpliva robnih pogojev na proces solidifikacije polimerne taline uporabljamo nov hibridni analitično-eksperimentalni pristop. Nelinearni model 'Knauss-Emri' nam omogoča analitično napoved robnih pogojev. Z uporabo tako napovedanih robnih pogojev izvajamo postopek priprave vzorcev. Vzorce karakteriziramo z uporabo različnih eksperimentalnih tehnik (meritve lezenja in relaksacije, NMR, DSC, optična in elektronska mikroskopija, itd.), ki omogočajo opazovanje strukture na različnih časovno-prostorskih skalah. Ker analitična napoved ni dovolj natančna, je potrebno robne pogoje v bližini analitično napovedanih sistematično analizirati in ustrezno korigirati. Na ta način izvajamo iterativen proces iskanja ustreznih tehnoloških pogojev za formiranje superstruktur materialov, ki izkazujejo inteligentno vedenje. Že majhne razlike v robnih pogojih.
Pomen za razvoj znanosti
Razumevanje večdimenzionalnih interakcij procesov, ki potekajo na različnih časovno-prostorskih skalah, predstavlja eno izmed najhitreje razvijajočih se znanstvenih področij v svetu. To področje je izrazito interdisciplinarno in povezuje skoraj vse klasične znanstvene discipline. Najpogumnejši zatrjujejo, da bodo te raziskave dale odgovor na vprašanje o nastanku življenja na zemlji. Zametek tega področja raziskovanja sega v leto 1999, ko je podjetje Toyota objavilo presenetljive rezultate odkritja, da je z dodatkom 1-2 vol.% nanodelcev v poliamid možno doseči povsem nove mehanske lastnosti materiala, ki so bile posledica spremenjene strukture osnovne polimerne matrice. Dodani nanodelci so torej inicirali spremembo poteka formiranja strukture materiala. Podobne efekte dosega naša skupina z dodajanjem zelo kratkih molekul istega materiala, kar se odraža kot multimodalna distribucija molskih mas. Nekoliko kasneje je bilo ugotovljeno, da lahko podobne efekte dosežemo tudi z ekstremnimi tlačnimi in temperaturnimi robnimi pogoji [1]. Kombiniranje obojega je predmet naših raziskav. Polimerni material se pri ekstremnih tlakih in temperaturah prične vesti ekstremno nelinearno (kaotično). Pri teh ekstremnih pogojih lahko z majhnimi spremembami robnih pogojev (tehnologije) pripeljemo material v povsem nova kvazi-stabilna stanja v katerih izkazuje tudi za nekaj velikostnih razredov drugačne fizikalne lastnosti. Tak primer predstavljajo inteligentni poliamidi – I-PA materiali, ki smo jih razvili v sodelovanju s koncernom BASF Aktiengesellschaft, Nemčija. Ti multimodalni materiali, v kombinaciji z ustrezno tehnologijo, omogočajo izdelovanje materialov z gradientno strukturo in inteligentnim vedenjem, kar predstavlja vrhunski rezultat na tem področju (cutting edge technology). V danem trenutku predstavljajo biokompatibilni osteointegrabilni materiali z gradientno stukturo novost v svetu in odpirajo možnost različnih aplikacij v medicini, kakor tudi v inženirski praksi. Reference: [1] A.L. Greer. Too hot to melt. Nature, 404, 134-137 (2000)
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagani program je usmerjen v generiranje bazičnega znanja, ki ga potrebujemo in ga bomo potrebovali za tehnološki preboj na področju biokompatibilnih osteointergrabilnih gradientnih polamidnih vsadkov. Tržna niša ortopedskih in dentalnih vsadkov je ocenjena na več kot 20 milijard EUR/letno prometa. Vstop v to nišo z izjemno visoko dodano vrednostjo predstavlja za Slovenijo tehnični in družbeno-ekonomski izziv in priložnost. Prispevek programa lahko iz različnih aspektov ocenjemo kot sledi: Trajnostni družbeno-ekonomski in kulturni razvoj Nova generacija inteligentnih materialov in tehnologij omogoča dvig dodane vrednosti izdelkov, katerih funkcionalnost je odvisna od lastnosti uporabljenega konstrukcijskega materiala. Uporaba polimernih materialov, katerih mehanske lastnosti so stabilne na temperaturnem območju od -20 do +10°C, predstavlja, npr., tehnološko prednost pri izdelovanju smučarskih čevljev in omogoča preskok izdelka v višji cenovni razred. Podobno velja za primer uporabe takih materialov pri razvoju nove generacije pralnih strojev, ki bodo zaradi specifičnih lastnosti polimerov nove generacije tišji, energetsko varčnejši in mirnejši. Ponovno moramo posebej izpostaviti, da ima posebno mesto uporaba gradientnih materialov v ortopedski in dentalni kirurgiji in uporaba inteligentnih poliamidnih vlaken v očesni in kardio-vaskularni kirurgiji. Razvoj novih kirurških tehnik, ki bodo temeljile na specifičnem obnašanju gradientnih materialov in inteligentnih vlaken, bo Slovenijo uvrstil med vodilne v svetu na tem področju. Preskok industrijskih izdelkov v višje cenovne razrede ter razvoj vrhunskih medicinskih tehnik bo prispeval k dvigu družbeno-ekonomskega nivoja Slovenije in tako posledično pozitivno ter konstruktivno vplival na vse nivoje družbenega in kulturnega razvoja slovenskega naroda. Tehnološki razvoj Rezultati predlaganih raziskav predstavljajo bazična znanja tehnološke mreže na področju novih materialov in okoljskih tehnologij, ki je eno izmed 4 prioritetnih področij tehnološkega razvoja Slovenije v tem desetletju. Nacionalna Tehnološka mreža Inteligentni polimerni materiali in pripadajoče tehnologije – TM IPMT, v katero je vključen tudi Center za eksperimentalno mehaniko kot nosilec bazičnih znanj, združuje vodilna slovenska podjetja, ki se ukvarjajo s predelovanjem polimernih materialov. Raziskovalno delo programske skupine je naravnano na usmerjene raziskave za potrebe slovenske industrije v tistih segmentih, kjer je možno s koriščenjem specifičnih lastnosti novih materialov dvigniti dodano vrednost izdelka in s tem povečati konkurenčno sposobnost slovenskih podjetij. Znanja te skupine služijo kot osnova razvojnim nalogam, ki jih izvajamo v okviru TM IPMT. Integrativne raziskovalne aktivnosti bodo potekale v okviru novo ustanovljenega Inštituta za sonaravne inovativne tehnologije - ISIT, ki je bil s s trani podjetij ustanovljen kot center odličnosti v okviru nacionalnih tehnoloških mrež Slovenije. ISIT nudi s 4000 m2 okolje v katerem bomo združevali bazične raziskave, razvoj in izobraževanje strokovnjakov s ciljem ustanavljanja novih spinn-off podjetij, v okviru katerih bomo vrhunske znanstvene dosežke pripeljali do ekonomskega uspeha. Utrjevanje nacionalne identitete in ohranjanje bogastva naravne in kulturne dediščine Nacionalna identiteta naroda je tesno povezana z gospodarskim in tehnološkim nivojem države. Uvajanje vrhunskih tehnologij zahteva nove oblike organiziranosti proizvodnih procesov in stopnje izobraženosti. Oboje ima močan vpliv na splošno socialno-ekonomsko organiziranost družbe. Nove trajnostne tehnologije imajo tudi dolgoročnejši vpliv na ohranjanje okolja in izrabo surovin. Dviganje kvalitete izdelkov in s tem ugleda simbola Made in Slovenia je eden od ključnih elementov sistematičnega utrjevanja ugleda Slovenije v svetu in s tem povezane nacionalne identitete Slovencev.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
