Anizometrisku nanomālu pildītāju daļiņu telpiskās izvietošanās ietekme uz zema blīvuma cieto poliuretāna putuplastu fizikālajām un mehāniskajām īpašībām

Projekta apraksts

Projekta mērķis ir eksperimentāls un teorētisks pētījums par anizometrisku pildītāju nanodaļiņu (Nanomāli Cloisite-30B) telpisko izvietošanos putošanas laikā saistībā ar zema blīvuma slēgtu šūnu cieto poliuretāna (PUR) putuplastu struktūrlementu izstiepšanu un tās ietekmi uz PUR putuplastu fizikālajām un mehāniskajām īpašībām, lai iegūtu jaunas zināšanas par minētajiem procesiem.

Naftas ķīmijas, rapšu eļļas poliolu un NEOpolyol-380 (Izgatavots no reciklētām PET granulām) PUR putuplastus izgatavoja ar liešanas metodi veidnē ar dažādiem garenzimēriem un šķērsizmēru. Nepildīta un ar Cloisite-30B pildīta PUR putuplasta īpašības izpētīja eksperimentāli (Spiedē un stiepē) un teorētiski. Matemātiskā modelēšana, skaitliskie aprēķini un rezultātu salīdzinājums ar eksperimentu datiem sekmēja izpratni par putošanas ietekmi uz nano-pildītāju daļiņu lokalizāciju un orientēšanos putu struktūrelementos.

Izstrādāja matemātisko modeli putuplastu struktūras elementu stieņu faktisko garumu restaurāciju no projekciju garumu analīzes gaismas mikroskopijas attēlos.

Projekta pētījums ir svarīgs siltumizolācijā, celtniecībā un citos pielietojumos.

Projektā ir sasniegti šādi galvenie rezultāti:

1) Divi zinātniskie raksti, kas ir sagatavoti un iesniegti publicēšanai žurnālā MDPI “Polymers” un “Materials”:

Ilze Beverte, Ugis Cabulis, Janis Andersons, Mikelis Kirpluks, Vilis Skruls and Peteris Cabulis “Light Microscopy and Mechanical Properties of Medium Density Rigid Polyurethane Foams Filled with Nanoclay”

Raksta kopsavilkums: A structural model for a nonlinearly deforming highly porous cellular plastic filled with clay nanoplatelets is derived taking into account the spatial alignment of the anisometric particles with respect to the strut axis attained during foaming. The model relates nonlinearity in foam deformation to nonlinearly elastic response of foam strut material. Reasonable agreement of model prediction with experimental data is demonstrated for tensile deformation of neat and clay nanoplatelet-filled highly porous rigid polyurethane foams. For neat foams, this suggests that the axial stress-strain response of a foam strut is close to that of a monolithic polymer specimen of a macroscopic size. For composite foams, alignment of the clay platelets with the axial direction of foam struts increased the predicted foam stiffness compared with that for random orientation of platelets. This effect became more pronounced at greater clay loadings. The theoretical deformation diagrams of composite foams where close to or above the experimental ones. Since complete exfoliation of the clay particles was assumed in the model, the predicted stiffness of foams being higher than the experimental is likely to stem from only partial exfoliation of clay achieved during manufacture of filled foams.
Aivars Lagzdiņš, Alberts Zilaucs, Ilze Beverte and Jānis Andersons “Modeling the nonlinear deformation of highly porous cellular plastics filled with clay nanoplatelets”.

Raksta kopsavilkums: Methodology is elaborated for investigation of structure of medium density rigid PU foams (Density region 230 – 250 kg/m3) by taking light micrographs for one and the same location on the sample’s cutting surface at different focus depth: a) cutting surface and b) through - cutting surface thus getting many-sided information on spatial interconnection of elements. Shape parameters of probability density functions of bubbles’ diameters’ distribution are restored based on the developed mathematical model of bubbles’ diameters’ projections. Dimensions of other structural elements are determined for neat and nanoclay’ filled rigid PU foams at 5 concentrations of the filler. The struts are essentially un-slender in contrary to struts in light weight foams, their transversal dimensions being comparable to the longitudinal ones as well as to the thickness of walls. Compared to the structure of neat foams, the most differing one is identified in foams with the highest concentration of nanofiller, possibly due to the biggest additional foaming volume. Load bearing capacity of the relatively thick walls has to be considered in mathematical modelling along with that of struts and nodes.

2) Latvijas Republikas Patentu valdē iesniegts LV patenta pieteikums LVP2021000025:

„Izjaucama, vairākkārt lietojama polipropilēna veidne cieto poliuretāna putuplastu cilindrisku bloku izgatavošanai ierobežotā putošanā” („A disassemblable, reusable polypropylene mould for manufacturing cylindrical rigid polyurethane foams’ blocks in delimited foaming”.
Izgudrotāji: Ilze Beverte, Uģis Cābulis:, Jānis Andersons un Alberts Zilaucs.

3) Dalība starptautiskā konferencē 36TH INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE POLYMER PROCESSING SOCIETY, September 26 – 30; 2021; Monreālā, Kanādā.

Stenda ziņojums I.Beverte1, U.Cabulis2, J.Andersons1 and P.Cabulis2 „Structural Characteristics of Medium Porous Rigid Polyurethane Foams Filled with Nanoclay Particles”, Skatīt

4) LZP 2021. gada fundamentālo un lietišķo pētījumu projektu (FLPP) konkursā iesniegts jauns projekts:

„Ar nanomāliem pildīta cietā poliuretāna putuplasta serde buru jahtu stūres iekārtām un švertiem.”

5) Projekta ietvaros apguva zinātniskā darba pieredzi RTU doktorants P. Cābulis:

•   Prakse LU MMI Materiālu testēšanas laboratorijā, paraugu izgatavošana;
•   Prakse LV KĶI Polimēru laboratorijā, nanomālu dispersiju sagatavošana ar dažādām metodēm;
•   Pieeja specializētajai literatūrai;
•   Dalība konferenču prezentāciju un zinātnisko rakstu sagatavošanā.

6) Publicitātes pasākumi:

• Informācija par LZP projektu ievietota LU mājaslapā, Skatīt ;

• 2021. gada 30. aprīlī dalība pasākumā „Eiropas Zinātnieku nakts-2020” ar prezentāciju „Anizometrisku nanomālu pildītāju daļiņu telpiskās izvietošanās ietekme uz zema blīvuma cieto poliuretāna putuplastu fizikālajām un mehāniskajām īpašībām” un attiecīgu plakātu, Skatīt ;

• Raksts avīzē „Diena”, 08.12.2021. „Inovatīva poliuretāna putuplasta siltumizolācijas materiāla izpēte ” Skatīt ;

• Prezentācija par projektu un rezultātiem nosūtīta:

- Vides aizsardzības un reģionālās attīstības ministrijai un
- Būvmateriālu ražotāju asociācijai

• Cieto PUR putuplastu mehānisko īpašību eksperimentālas noteikšanas datu bāze ievietota brīvpieejai LU un LV KĶI mājaslapā

7) Projekta ietvaros ir uzsākta zinātniskā un pētnieciskā sadarbība ar:

•   Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultāti un LOSI (Rentgenstaru difraktometrija);
•   RSU Anatomijas un antropoloģijas institūtu (TEM mikroskopija);
•   LU CFI (SEM un FEM izpēte);
•   SIA Ritols (PUR putuplastu izejvielas un izgatavošana) un
•   SIA DME (PUR putuplastu pielietojums laivu un jahtu stūres iekārtās).

Finansējuma apmērs: EUR 100 389.

Uzsaukums, aktivitāte: Latvijas Zinātnes Padomes Fundamentālo un lietišķo pētījumu projektu 2020. gada konkurss "Zinātnisko institūciju zinātnes izcilības un snieguma finansējuma nodrošinājums pētniecības specializācijas, izcilības un ietekmes stiprināšanai - vienotas akadēmiskās un zinātniskās karjeras sistēmas reformas ieviešanai un zinātnes un inovācijas lomas palielināšanai" (LZP FLPP 2020/2)

Datu bāzes "Cieto poliuretāna putuplastu mehāniskās pārbaudes spiedē un stiepē" apraksts

Datu arhīvs:

Spiedes un stiepes dati