Teadus- ja arendustöö
Allpool on välja toodud peamised uurimissuunad, mida me oma rühmas praegu arendame.
Termoplastilised tselluloosi derivaadid fossiilsetel maavaradel põhinevate plastide asendamiseks
Säästvad bioplastid töötatakse välja selleks, et asendada mittetaastuvatel ressurssidel põhinevad materjalid plastitööstuses. Tselluloos näib olevat bioplasti jaoks peaaegu piiramatu taastuv ressurss.
Uute korduvkasutatavate lahustikeskkondade, biopõhiste keemiliste modifitseerimisreaktiivide ja energiasäästlike tehnoloogiate kasutamise kaudu otsitakse uuenduslikke võimalusi tselluloosi jätkusuutlikuks taaskasutamiseks. Tselluloosi lahustumisprotsesside avastamine ioonsetes vedelikes avab mitu uut teed selle keemiliseks muutmiseks.
Reaktsioonikeskkonnana kasutatakse uusi destilleeritavaid ioonseid vedelikke ning lahustisüsteemide jätkusuutlikkuse parandamiseks uuritakse biopõhiseid kaaslahusteid. Ioonsete vedelike alternatiividena uuritakse ka täielikult biopõhiseid ja mittetoksilisi süvaeutektilisi lahusteid. Termoplastilisi tselluloosi derivaate, rasvhapete tselluloosi estreid (FACE-sid) saab valmistada ilma plastifikaatoreid kasutamata, kinnitades tselluloosi makromolekuli külge pika ahelaga estriharud. Taimeõlipõhised reaktiivid on välja töötatud tselluloosi esterdamiseks. Uuritakse esterdamisreaktiivide ja lahustisüsteemide mõju tselluloosse bioplasti reoloogiale, kristalliseerumiskäitumisele, morfoloogiale ja mehaanilistele omadustele. Käivitatakse reaktiivekstrusioonitehnoloogial põhinev laboripilootliin. Selgitatakse uute bioplastide tootmis- ja töötlemisparameetrid edasiseks kasutamiseks.
Reaktiivse ekstrusiooni tehnoloogia
Taimeõlipõhiste esterdamisreaktiivide reaktiivsus FACE-de sünteesiks mehhaanilise keemilise toimega on perspektiivne uurimisvaldkond, mida laboris intensiivselt uuritakse.
Kõige lootustandvam mehaaniline keemiline meetod, kus on olemas nii suured nihke- kui ka pikenemisjõud, on reaktiivne ekstrusioon (REX) pöörlevas kahe-kruvi ekstruuderis. REX on üldiselt tuntud kui polümeeri sünteesi ja modifitseerimise meetod, mis tagab suurima saagise lühima aja ja minimaalse energia, lahustite ja reagentide kasutamisega. Ekstrusiooniprotsess on pidev, seega on sellel head väljavaated tööstuslikuks võimenduseks. REX suudab töödelda väga viskoosseid aineid ja seetõttu võib eeldada palju suuremat tselluloosi kontsentratsiooni kui partiipõhises segamisreaktoris, mis vähendab oluliselt vajadust lahustite ja kaaslahustite järele.
Energia ja lahustite tarbimise minimeerimiseks ja töötlemiskiiruse maksimeerimiseks on uuritud mitmeid REX-i aspekte: töötlemisparameetrid, kruvide konfiguratsioon, teatud tüüpi lahustid ja kaaslahustid, taimeõlipõhiste esterdamisreaktiivide keemiline koostis, tselluloosi aktiveerimine, jne. Protsessi keskkonnamõju vähendamiseks uuritakse ka lahustite ja kõrvalsaaduste ringlussevõttu.lahustite tarbimise minimeerimiseks ja töötlemiskiiruse maksimeerimiseks on uuritud mitmeid REX-i aspekte: töötlemisparameetrid, kruvide konfiguratsioon, teatud tüüpi lahustid ja kaaslahustid, taimeõlipõhiste esterdamisreaktiivide keemiline koostis, tselluloosi aktiveerimine. , jne. Protsessi keskkonnamõju vähendamiseks uuritakse ka lahustite ja kõrvalsaaduste ringlussevõttu.
Täiustatud mikro- ja nanokiudmaterjalid energia salvestamiseks, energia kogumiseks ja väikeste osakeste filtreerimiseks
Elektroketrustehnoloogiat rakendatakse materjalide väljatöötamisel energia salvestamiseks või kogumiseks ning materjalide filtreerimiseks. Biopolümeere kasutatakse elektrokedratud nano- ja mikrokiudude keerukate komposiitide maatriksitena.
Laboratoorium on ainus Eestis, mis on võimeline elektriketrustehnoloogial katsetootma.
Töötati välja täielikult elektrokedratud nanokiudsed elektrokeemilised kahekihilised (EDL) kondensaatorid, mis sobivad kõrgsageduslikeks rakendusteks ilma märkimisväärse mahtuvuse vähenemiseta konkreetsetes keskkonnatingimustes, näiteks kosmosemissioonidel. Eesmärk oli saavutada kõrge EDL-mahtuvus, pikk tsükli eluiga ja head mehaanilised omadused elektroodidega, mis koosnevad karbiidist tuletatud süsinikust (CDC) ja polümeersest maatriksist, ilma edasise karboniseerimiseta töötlemiseta. Selleks katsetati elektroketrusprotsessis erinevaid polümeeri/lahusti/süsiniku kombinatsioone. Lisaks katsetati elektrokedratud elektroodide elektrokeemiliste omaduste parandamiseks mitmesuguseid orgaanilisi, anorgaanilisi ja ioon-vedelikul põhinevaid elektrolüüte. Superkondensaatorid valmistati painduvate ja virnastatavate õhukeste lehtedena. See on kasulik (mikro)satelliitide või kosmoselaevade suletud ruumi kõige tõhusamaks kasutamiseks ja traditsioonilistes rakendustes. Uuring viidi läbi koostöös Skeleton Technologies OÜ ja ESA-ga.
Triboelektrilise nähtuse ärakasutamisel on näidatud, et tselluloos töötab tõhusa energiageneraatorina ja kogumismaterjalina. See avab tselluloosipõhiste materjalide uued täiustatud rakendusvaldkonnad. Triboelektrilise energia kogumise valdkond areneb kiiresti ja nõuab rohkem teadmisi, et hõlbustada tehnoloogiasiiret uutele toodetele. Üks peamisi strateegiaid suure energiatootmise saavutamiseks triboelektrilistes seadmetes hõlmab mikro- ja nanostruktuuride tootmist. Valmistati tselluloosi derivaadid ja neist elektroketramise teel nanokiud lausmaterjalid. Määrati lausmaterjalide peamised füüsikalised omadused. Projekti partner RISE konstrueeris lausmaterjalidest triboelektriseadmeid ja hindas nende võimet toota elektrit.
Elektrospinning tehnoloogia abil töötati välja uued näomaskide filtreerimismaterjale sisaldavad antiseptilised nanoosakesed. Nanoosakesed valis välja partnerasutus KBFI ning nende iirusevastaseid omadusi testiti Tartu Ülikoolis.
Jätkusuutlik plasti ümbertöötlemine, plastijäätmete ja sekundaarsete mineraalsete või orgaaniliste toorainete komposiidid
Laboril on Eestis ainulaadne piloottootmisvõimekus sellistes olulistes polümeeri/plasti tehnoloogia valdkondades nagu segamine, ekstrusioon ja survevalu.
Teisese tooraine efektiivseks kasutamiseks ringmajanduses töötatakse välja termoplastilistest ja termoreaktiivsetest polümeeridest koosnevaid komposiite anorgaaniliste või biopõhiste lisanditega. Paljudel juhtudel nõuavad plastid mineraalsete lisandite kasutamist, et mõjutada komposiitmaterjali omadusi (jäikus, soojusjuhtivus, tulekindlus jne) ning vähendada plasti osakaalu ja seeläbi ka kulusid. Selgitatakse, kas ja kuidas on võimalik erinevate mineraalsete jäätmetega, nagu elektri- ja õlitootmisel tekkiv tuhk, asendada kaevandatud mineraale, näiteks lubjakivi komposiitides. Kogutakse uusi teadmisi puidutööstuse ebakvaliteetse kõrvalsaaduse, kase valesüdamepuidu kasutamisest puitpolümeerkomposiitide valmistamisel, tõstes seeläbi kase valesüdamepuidu väärtust ja maksimeerides kvaliteetse kasepuidu tulemust. Samuti otsitakse lahendusi tekstiilijäätmete ja lignotsellulooskiudude suuremahuliseks taaskasutamiseks plastkomposiitide tugevdavate täiteainetena. Kõik uuringud aitavad kaasa ringmajandusele, pakkudes kohalike väheväärtuslike või jäätmematerjalide taaskasutusvõimalusi
Täielikult biopõhised lignotselluloosse tooraine komposiidid
Töötatakse välja kaubanduslikult saadavatest bioplastidest, nagu PLA ja termoplastiline tärklis, komposiite lignotselluloosse biomassi, eriti ligniini komponentidega. Uuritakse komposiitide füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi ning kontrollitakse nende töötlemisvõimet survevalu puhumisel.
Biopolümeeride tehnoloogia labor
Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut
Tallinna Tehnikaülikool
