Projekti / Programi
Inteligentni polimerni materiali in tehnologije
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T390 |
Tehnološke vede |
Polimerska tehnologija, biopolimeri |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
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 (16)
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
V sklopu programa Inteligentni polimerni materiali in tehnologije je bil glavni cilj raziskovalne skupine razvoj temeljnih znanj in veščin potrebnih za generacijo inovativnih idej, ki predstavljajo tehnološki in ekonomski potencial Slovenije. Na osnovi znanstvenih dognanj sta bila dosežena dva izjemna socio-ekonomski dosežka: • Razviti vibroaksutični dušilni elementi zaščiteni s EU patentoma. • Algoritem zaključene oblike za časovno – temperaturno superpozicijo, ki je bil sprejet kot nov ISO standard Raziskave so bile usmerjene v razvoj nove generacije inteligentnih polimernih materialov in tehnologij. Delo je bilo razdeljeno v 3 raziskovalne sfere: 1. Študij procesa formiranja strukture materiala na različnih skalah opazovanja. Rezultati so pokazali, da je z omenjenimi pristopi možno izboljšati predelovalnost materialov, ter njihove mehanske in dušilne lastnosti. Razvito znanje smo uspešno uporabili pri razvoju nove nanoPIM tehnologije in pri razvoju nove generacije viboraksutičnih dušilnih elementov.Nadaljnje raziskave v tej sferi vključujejo razvoj kontejnerjev za lokalno depozicjo zdravilnih učinkovin na osnovi nano-membran iz bio- in sintetičnih- polimerov in razvoj tehnologije visoko tlačnega injekcijskega brizganja. 2. Razvoj merilnih tehnik in opreme za karakterizacijo časovno odvisnega vedenja polimerov in njihovih kompozitov. Skupina je razvila več merilnih sistemov za merjenje časovno – odvisnih lastnosti polimerov, še zlasti pri visokih tlakih in hitrostih obremenitev, ki komercialno niso na voljo na trgu. Obetajoča eksperimentalna naprava, ki jo skupina razvija omogoča karakterizacijo polimerov pri visokih hitrostih obremenitve in visokih tlakih. Pridobljeno znanje, ki izhaja iz razvoja te naprave bo omogočilo razvoj nove generacije naprav za testiranje gmotnostnih lastnosti polimernih materialov pri različnih tlačnih in temperaturnih pogojih. Ta naprava bo omogočila izvajanje meritev polimernih materialvo v prehodnem območju med tekočim in trdnim stanjem. Rezultati, ki bodo sledili iz meritev na tej napravi bodo omogočili nadaljni razvoj vibro-akustičnih dušilnih elementov. 3. Teoretična in eksperimentalna analiza vedenja konstrukcijskih polimerov in njihovih kompozitov pri ekstremnih pogojih obremenjevanja. Razvoj te sfere je potekal v treh smereh: a) Skupina je preiskovala vpliv mehanskega spectra na process utrujanja ciklično obremenjenih polimernih materialov. Na podlagi rezultatov raziskav je bil razvit model za napoved trajnosti elastomernih jermenov. Razvito metodologijo uporablja sedaj Goodyear. b) Razvoj nove metodologije za generacijo sumarnih krivulj lezenja ali relaksacije na osnovi kratkih eksperimentov. c) Skupina je prav tako razvila algoritem za časovno-temperaturno-tlačno superpozicijo za generacijo sumarnih krivulj, ki omogočajo predikcijo lastnosti polimernih materialov v daljšem časovnem obdobju. Ta algoritem je bil vključen v prihajajoči ISO standard.
Pomen za razvoj Slovenije
V sklopu programa Inteligentni polimerni materiali in tehnologije je bil glavni cilj raziskovalne skupine razvoj temeljnih znanj in veščin potrebnih za generacijo inovativnih idej, ki predstavljajo tehnološki in ekonomski potencial Slovenije. Na osnovi znanstvenih dognanj sta bila dosežena 2 pomembna socioekonomska dosežka: • Razvita je bila nova generacija vibroaksutičnih dušilnih elementov, ki smo jih zaščitili z dvema EU patentoma. • Razvita je bila matematična metodologija za časovnotemperaturnotlačno superpozicijo, ki je bila vključena v novi ISO standard. V sklopu programa so bile naše raziskave usmerjene v tri raziskovalne sfere, kjer je bil naš cilj implementirati generirano znanje v inovacijski process, ki lahko vodi do novih tehnoloških rešitev in novih funkcionalnosti in/ali izboljšano trajnostjo obstoječih rešitev v različnih področjih implementacije. 1. V prvi raziskovalni sferi, kjer smo raziskovali procesa formiranja strukture materiala na različnih skalah opazovanja smo preučevali granulirane disipativne sisteme, kar je vodilo do razvoja vibro-aksutičnih dušilnih elementov. V ta razvojni proces so bili vključeni tudi dodiplomski in podiplomski študentje. Razviti in patentirani dušilni elementi predstavljajo velik korak proti zagotavljanju boljše kvalitete sonaravnega življenja v urbanih okoljih. Obenem predstavljajo izhodišče za formiranje novega spin-off podjetja, ki bo v prvi fazi delovalo znotraj Inštituta za sonaravne inovativne tehnologije. Pridobljeno znanje bo prav tako uporabljeno pri razvoju kontejnerjev za lokalno depozicijo zdravilnih učinkovin v medicini in pri razvoju medicinskih vsadkov. 2. Ena izmed naprav razvitih v sklopu druge raziskovalne sfere bo uporabljena za določitev meje linearne teorije viskoelastičnosti, ki je ključni mejnik pri krepitvi uporabe polimernih materialov v konstruiranju. V nadaljevanju bomo to znanje, v sodelovanju z industrijskimi partnerji, uporabili za razvoj nove generacije daljinsko nadzorovanih v svetu prvih polimernih ventilov v toplotni tehniki. 3. Raziskovalni rezultati iz tretje sfere bodo uporabljeni za razvoj nove generacije polimernih zobnikov. Poleg tega bomo matematični algoritem za časovno-frekvenčno-temperaturno-tlačno superpozicijo, ki je postal novi ISO standard, implementirali v programsko opremo, in jo v sodelovanju z ISO plasirali na svetovni trg.
Avdiovizualni viri (1)
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
