Uzņēmējdarbība un inovācijas
ERAF_logo EK_logo IPM logo
 

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētā projekta "Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde" trešais darba gads ieiet nobeiguma fāzē ar vairākiem pozītīvi vērtējamiem rezultātiem.
Izstrādāts elastības īpašību prognozēšanas modeļa variants polimēru nanokompozītiem, kas kā pildvielu satur daudzslāņainas interkalētas silikātu daļiņas ar dažādiem ģeometriskajiem parametriem (monoslāņu skaits, starpslāņu attālums un raksturīgā izmēru attiecība). Izveidota atbilstoša datorprogramma, kurā iekļauti atsevišķi bloki efektīvo elastības konstanšu aprēķināšanai daudzslāņainajām daļiņām, struktūrelementam ar komplanāru daļiņu izvietojumu un kopumā kompozītam ar haotisku daļiņu izvietojumu.
Veikta elastības īpašību analīze uz rapšu eļļas bāzes izgatavotam PIR, kas kā pildvielu satur daudzslāņainas Cloisite 15A markas mālu daļiņas ar dažādu monoslāņu skaitu k (no 1 līdz 10). Iegūts kvantitatīvs vērtējums mālu daļiņu eksfoliācijas pakāpes ietekmei uz kompozīta elastības konstantēm. Konstatēts, ka vienāda mālu satura gadījumā monoslāņu skaita palielināšana rada būtisku materiāla elastīgā stinguma samazināšanos. Piemēram, pilnībā eksfoliēta daļiņu gadījumā (k = 1) ievadot 1% pildvielas, elastības modulis palielinās par 12,4%, bet interkalētu pakešu gadījumā ar k = 10 tikai par 3,6%. Palielinot pildvielas saturu, šī starpība aug. Tādējādi armēšanas efekts samazinās 3–4 un vairāk reižu. Prognozes dati salīdzināti ar iepriekš iegūtajām eksperimentālajām vērtībām poliuretānam ar mālu saturu Wf, kas vienāds ar 1, 3 un 7%. Izdarīts secinājums, ka pie Wf = 1% izveidotajos kompozītos sasniegta pilnīga mālu daļiņu eksfoliācija, bet, palielinot Wf,, armēšanas efekts būtiski samazinās, jo parādās daudzslāņainas interkalētas daļiņas. Pētījuma rezultāti izklāstīti publicēšanai sagatavotā zinātniskā rakstā.
Pabeigts darbs pie putuplastu aplēses modeļa pilnveidošanas gan nestiegrotiem, gan stiegrotiem putuplastiem. Pēdējā gadījumā modelī nāk klāt vēl divas jaunas konstantes – viena, kas raksturo stiegroto nesošo elementu orientatīvo sadalījumu, bet otra – visu nesošo elementu sadalījumu. Abas šīs konstantes jāatrod no dotā stiegrotā putuplasta struktūras pētījumiem. Visas izmaiņas ir iestrādātas attiecīgās datorprogrammās, kas ļauj skaitliski atrast visas piecas neatkarīgās transversāli izotropa stiegrota putuplasta elastības konstantes.
Tiek turpināta zinātniskā raksta sagatavošana, kurā apkopoti visi iegūtie rezultāti anizotropiem stiegrotiem putuplastiem. Pabeigta raksta ievaddaļa un nodaļa par precizētu stinguma tenzora analītisko aplēsi materiāla struktūrelementam, kā arī nodaļa, kurā konkretizētas šo elementu orientatīvā sadalījuma funkcijas un dotas izteiksmes visām neatkarīgajām transversāli izotropa putuplasta elastības konstantēm. Sākts darbs pie nodaļas, kurā analītiskie aprēķini salīdzināti ar literatūrā atrodamiem eksperimentāliem datiem, kas iegūti pētot ar īsām oglekļa – stiegrām pildītus poliuretāna putuplastus.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētā projekta "Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde" starptautiskā konferencē "13th International Conference on Fracture" Beijing, Ķīnā tiek prezentēti par projektā izstrādāto putuplastu stiprību, sabrukšanas stīgrumu un to prognozēšanu ar mutisko ziņojumu "The effect of nano-and-micro-fillers on the strenght and toughness of PIR foams obtained from renewable resourses". Konferenču un diskusiju gaitā tika izklāstītas jaunākās atziņas un lietišķo pētījumu rezultāti par efektīvām kompozītmateriālu izgatavošanas metodēm, mehānisko un fizikālo īpašību modelēšanu un prognozēšanu. Projekta pētījuma rezultāti publicēti rakstā J.Andersons, U.Cābulis, U.Stirna. The effect of nano-and-micro-fillers on the strenght and toughness of PIR foams obtained from renewable resourses. In:Proc.of ICF13, 10 p. konferences rakstu krājumā.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētā projekta "Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde" darba rezultātus plānots prezentēt vairākās starptautiskās konferencēs.
Plānots, ka par projekta rezultātiem tiks sniegta informācija PPS-29 konferencē Nirnbergā 2013.gada 15.-19.jūlijā un Biofoams'2013, kas notiks Toronto 2013.gada 27.-29.augustā.
Projektā šobrīd ir noteikts tīro un pildīto polimēru elastības modulis un stiepes stiprība. Konstatēts, ka papildus žāvēšana atstāj nebūtisku ietekmi uz monolīto polimēru īpašībām.
Lai noteiktu organiski modificēto nanomālu disperģēšanas metodes ietekmi uz putuplastu īpašībām, tika izgatavoti paraugi no poliizocianurāta bioputuplasta un veiktas paraugu pārbaudes stiepē izotropijas plaknē. Veikta eksperimentālo datu apstrāde, nosakot Junga moduli, Puasona koeficientu, stiepes stiprību un robeždeformāciju.
Lai novērtētu linšķiedru garuma ietekmi uz pildīto putuplastu mehāniskajām īpašībām, izgatavoti paraugi pārbaudēm no PM-17 receptūras putuplastiem, kas pildīti ar sijātām linšķiedrām, kas frakcionētas ar trīs izmēru sietiem. Izgatavoti paraugi un veiktas stiepes pārbaudes izotropijas plaknē. Veikta eksperimentālo datu apstrāde, nosakot Junga moduli, Puasona koeficientu, stiepes stiprību un robeždeformāciju. Konstatēts, ka frakcionētu linšķiedru izmantošana nebūtiski ietekmē putuplastu mehāniskās īpašības.
Lai novērtētu koksnes šķiedru pielietojuma bioputuplastu pildīšanai efektivitāti, no PM-17 receptūras putuplastiem, kas pildīti ar kokšķiedrām 1% un 2% pēc svara, izgatavoti paraugi un veiktas stiepes pārbaudes izotropijas plaknē. Konstatēts, ka koksnes šķiedras atstāj praktiski tādu pašu iespaidu uz putuplasta stingumu, kā linšķiedras.
Turpinot iepriekš uzsākto sorbcijas pētījumu, eksperimentāli iegūti un analizēti PIR ilglaicīgo ūdens sorbciju raksturojoši dati. Konstatēts, ka pārbaudāmajiem PIR paraugiem raksturīga salīdzinoši lēna ūdens absorbcija, ko, acīmredzot, nodrošina materiāla slēgto poru struktūra. Taču sorbcijas līdzsvars vēl nav sasniegts un ūdens absorbcijas process turpinās, kas jāņem vērā, jo cieto PIR reālajos ekspluatācijas apstākļos nav izslēgta ilgstoša ūdens iedarbība uz materiālu.
Izveidots aplēses modelis elastības konstanšu aprēķināšanai putuplastiem, kas pildīti ar garām cita materiāla stiegrām, kuru garums vairākkārt pārsniedz putuplasta struktūras elementu garumu.
Turpinot darbu pie aplēses modeļa konstruēšanas īso stiegru pildvielai, vispārinātas aplēses sakarības gadījumiem, kad stiegras ir izvietotas tikai daļā nesošo elementu. Iegūtas vispārīgas formulas šādu putuplastu elastības moduļu aprēķināšanai, ja gan stiegrotie, gan nestiegrotie elementi ir telpā orientēti nevienmērīgi un to orientatīvā sadalījuma funkcijas ir atšķirīgas. Izveidota datorprogramma elastības konstanšu skaitļošanai nesošajam elementam, kas satur gan sīkas cita materiāla daļiņas, gan īsu šķiedru, kā arī programma konstanšu aplēsei daļēji stiegrotam putuplastam, kurā stiegrotie un nestiegrotie nesošie elementi ir orientēti vienmērīgi.
Uzsākts putuplastu stiprības analītiska apraksta pētījums, izmantojot polinomiālas un nepolinomiālas sprieguma funkcijas, kā arī aplūkota vispārīgāka pieejai šai problēmai.
Turpināta matemātiskā modeļa izstrādāšana augsti porainu, ortotropu putuplastu (nepildītu un ar salīdzinoši mazām pilddaļiņām pildītu) uzbūves raksturlielumu noteikšanai, apstrādājot gaismas mikroskopā iegūtu attēlu datus. Sastādīta aprēķinu programmas blokshēma.
Uzsākta slāņaina, putuplastu slāni saturoša materiāla skaņas caurlaidības prognozēšanas modeļa izstrādāšana. Skaņas spiediena intensitāšu attiecība slāņainam materiālam izteikta, izmantojot slāņu un to kontakta virsmu akustiskās impendances. Sastādīts algoritms skaņas intensitātes izmaiņas pa slāņainā materiāla biezumu aprēķinam dažādām plakanu membrānu kombinācijām ar putuplasta serdi.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētā projekta "Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde" otrais darba gads ir noslēdzies ar vairākiem pozitīvi vērtējamiem rezultātiem.
Ir izstrādāta metodika nanokristāliskās celulozes ievadīšanai PIR komponentēs ar ultrasonificēšanas metodi un izgatavoti putuplastu paraugi, pildīti ar nanokristālisko celulozi. Putuplastu paraugiem noteikta poru struktūra, dimensiju stabilitāte, ūdens uzsūcamība. Veikti aprēķini par nanokristāliskās celulozes ietekmi uz putuplastu polimēra matricu.
No dažādu pamatpolimēru ampulām izgatavoti paraugi, veiktas to pārbaudes stiepē un eksperimentālo datu apstrāde. Noteikts tīro un pildīto polimēru elastības modulis un stiepes stiprība. Konstatēts, ka CL30B, Nanocyl, Zano20 nanopildvielas (1% pēc svara) paaugstina polimēra stingumu un stiprību par ~10%. Pie lielāka pildvielas daudzuma mehānisko īpašību uzlabošanos pārbaudes neuzrāda, kas skaidrojams ar poru parādīšanos paraugos ar pildvielas saturu virs 1%, tādēļ jāoptimizē pildīta polimēra izgatavošanas tehnoloģija, lai novērstu poru veidošanos. Lai noteiktu nepildītu rapšu eļļas putuplastu spiedes īpašību atkarību no putuplasta blīvuma, tika izgatavoti poliizocianurāta bioputuplasta ar dažādām recepturām paraugi un veiktas to pārbaudes.
Veiktajos pētījumos ar nanomālu ietekmes pētījumus uz putuplasta mehāniskajām īpašībām un celulozes pildvielu ietekmes pētījumos uz putuplasta mehāniskajām īpašībām konstatēts, ka organiski modificētie māli nodrošina lielāku putuplasta mehānisko īpašību pieaugumu un ka pie lielākas nanokristāliskās celulozes masas daļas pieaug makroporu daudzums putuplastā, kas negatīvi ietekmē tā mehāniskās īpašības.
Turpinās arī uzsāktas šļūdes pārbaudes vienass spiedes režīmā stinga monolīta PIR cilindriskiem paraugiem uz rapšu eļļas poliola bāzes.
Turpinot darbu pie aplēses modeļa konstruēšanas augsti porainiem poliuretāna putuplastiem, kas pildīti ar cita materiāla daļiņām, pētīti divi pildvielu veidi. Kad pildvielas elementi ir stiegras, kuru garums nepārsniedz struktūras elementa garumu, pieņemot, ka slodzi nesošais elements satur vienu stiegru, izvestas analītiskas sakarības šī elementa deformāciju aprēķināšanai, ja uz to darbojas aksiālas, bīdes un gala momentu slodzes. Rezultātā iegūtas izteiksmes aplēses elementa stinguma tenzora komponenšu noteikšanai, uz kuru pamata ir izveidotas attiecīgas datorprogrammas. Otrajā variantā putuplasts ir dispersi pildīts ar sīkām cita materiāla daļiņām (plāksnītēm vai nanocaurulītēm), kā rezultātā pamatmateriāls (polimērs) nesošajā struktūras elementā kļūst transversāli izotrops, bet ar atšķirīgām elastības konstantēm stienī un mezglos, kuru noteikšanai izmantota Mori – Tanakas metode. Iegūtas analītiskas sakarības aplēses elementa stinguma tenzora noteikšanai. Apvienojot abus variantus, izvestas stinguma tenzora izteiksmes aplēses elementam, kas satur gan stiegru, gan ar sīkām daļiņām dispersi pildītu transversāli izotropu pamatmateriālu (polimēru).
Turpinot putuplasta skaņas caurlaidības pētījumus, ar skaitliskām un analītiskām metodēm novērtēts rezonanses efekts skaņas viļņu caurlaidībai. Prognozētās sfēriskas putuplasta čaulas virsmas relatīvā ātruma un svārstību amplitūdas vērtības rezonanses gadījumā un bez rezonanses raksturotas ar grafiku virkni, kas demonstrē modeļa parametru (materiāla anizotropijas, Puasona koeficienta, relatīvā sieniņas biezuma) ietekmi uz skaņas izstarošanas intensitāti apkārtējā (gāzveida vai šķidruma) vidē.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētā projekta "Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde" vadošā pētniece I.Beverte par projekta sasniegumiem informēja starptautisko zinātnisko sabiedrību konferencē "Computational Modelling of Objects Presented in Images: Fundamentals, Methods and Applications".
Konferenci organizēja Romas Sapienza universitāte (Itālija) sadarbībā Porto Universitāti (Portugāle), konference notika no šā gada 4.septemba līdz 7.septembrim Romā, Itālijā. Tajā piedalījās vairāk nekā 80 dalībnieku gan no Eiropas, gan no citām pasaules valstīm.
Konferences mērķis bija informēt tās dalībniekus un ļaut viņiem dalīties savā pieredzē par dažādi iegūtu attēlu (mikroskopija, zemes pavadoņi, digitālais foto u.c.) analīzes, teorētiskās un eksperimentālās izpētes un pielietošanas jautājumiem. Konferences darbs norisinājās septiņās tematiskajās sekcijās: smadzeņu funkcionālā un strukturālā attēlošana un šo datu apstrāde, pavadoņu dati un attālinātā uztveršana, medicīnisko attēlu analīze, attēli biomedicīnā, arhitektonisko un pilsētas attēlu analīze, materiālu mehānika un attēlu analīze un metodes un algoritmi.
Latvijas pārstāve piedalījās sekcijā "Materiālu mehānika un attēlu analīze" ar ziņojumu "Computational Modelling and 3D Reconstruction of Highly Porous Plastic Foams". Ziņojums izraisīja lielu klausītāju interesi, tā noslēgumā tika uzdoti daudzi jautājumi par Latvijas pieredzi šajā jomā.
Diskusijas ļāva Latvijai ne tikai parādīt savu pieredzi, bet arī iegūt idejas perspektīvākajiem turpmāko pētījumu virzieniem un metodēm, kas ļaus efektīvāk turpināt projekta īstenošanas gaitu.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētā projekta "Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde" zinātniskais vadītājs Jānis Andersons šā gada jūlijā Atēnās, Grieķijā, piedalījās piektajā starptautiskajā konferencē "No zinātniskiem aprēķiniem uz aprēķinos balstītu inženierzinātni" (International Conference from Scientific Computing to Computational Engineering).
Konferenci organizēja Patras Universitātes LFME laboratorija un Nacionālās Atēnu Tehniskās Universitātes Ražošanas tehnoloģiju laboratorija. Konferencē piedalījās pētnieki no vairāk nekā 20 valstīm. Konferences mērķis bija pulcēt pētniekus un dalīties dažādu valstu pārstāvjiem pieredzē par efektīvu skaitlisko metožu izstrādāšanu un pielietošanu materiālu, konstrukciju un inženiersistēmu modelēšanā.
Latvijas pārstāvis konferencē uzstājās ar ziņojumu "Modeling the effect of short-fiber filler on the stiffness of polyisocyanurate", kā arī piedalījās diskusijās un referātos pausto pētījumu atziņu apspriešanā par inženiermodelēšanas problemātiku. Vienlaikus dalība konferencē ļāva piedalīties arī darba vizītē Atēnu tehniskās Universitātes Ražošanas tehnoloģiju laboratorijā. Vizītes laikā tika iegūta pieredze par polimērkompozītu izgatavošanas jautājumiem, nanopildvielu un dabisko šķiedru efektīvas disperģēšanas metodēm polimērā. Jānis Andersons demonstrēja laboratorijas vadībai un zinātniskajiem līdzstrādniekiem projekta gaitā izgatavoto pildīto putuplastu paraugus, kā arī ieguva idejas to izgatavošanas tehnoloģijas pilnveidošanai.

Izmantojot mehānisko griezēju, sasmalcinātas linšķiedras putuplastu pildīšanai. Ar optiskās mikroskopijas metodēm nomērītas sasmalcināto linšķiedru garuma un diametra vērtības reprezentatīvam šķiedru daudzumam, konstruēta empīriskā sadalījuma funkcija to attiecībai. Veikti dabisko šķiedru daudzuma uz virsmas laukuma vienību mērījumi putuplasta paraugiem ar 1% smalcināto šķiedru svara daļu. Paralēli šai aktivitātei, ir novērtēta arī slēgtajās porās esošās gāzes spiediena ietekme uz aprēķinātajām putuplastu elastības konstantēm. Iegūtas attiecīgas analītiskas sakarības ortotropiem putuplastiem ar elipsoidālām porām, ja elipsoīda garākā ass ir orientēta paralēli putošanas virzienam. Konstatēts, ka gāzes ietekme ir praktiski nozīmīga tikai augstam gāzes blīvumam.
Balstoties uz vienasīgās lineārās transformācijas hipotēzi, ir noteikta nesošo stieņu orientāciju sadalījuma funkcija putuplastiem ar vienā virzienā orientētām elipsoidālām porām, kas ir atkarīga no poru izstiepuma pakāpes.
Uzsākta īsas anizotropas šķiedras saturoša polimēra elastīgo īpašību modelēšana, lai teorētiski novērtētu pildīto putuplastu stienīšu stingumu. Veikta matemātiskā modeļa izvēle, un tai izstrādāts algoritms. Turpināta putuplasta morfoloģijas parametru noteikšana dažāda blīvuma un anizotropijas pakāpes materiāliem.
Par daudziem iegūtajiem rezultātiem ir uzsākts darbs pie zinātnisko rakstu sagatavošanas, lai būtu iespējams informēt par šo darbu pēc iespējas lielāku sabiedrības daļu. Piemēram, zinātnisko rakstu formā ir apkopoti anizotropa putuplasta skaņas caurlaidības pētījuma rezultāti par pašfrekvenču atkarību no relatīvā sieniņas biezuma, materiāla anizotropijas pakāpes, Puasona koeficienta pie dažādiem praktiski nozīmīgiem robežnosacījumiem.
Izstrādāta metodika nanopildvielu optimizētai ievadīšanai poliuretāna receptūras komponentēs, izmantojot ultrasonificēšanas metodi ar iekārtu MRC. Izgatavoti poliizocianurāta (PIR) putuplasta paraugi, pildīti ar nanodaļiņām. Vienlaikus izgatavoti PIR putuplasta paraugi, pildīti ar oglekļa mikrošķiedrām. Visiem izgatavotajiem paraugiem noteikti tehnoloģiskie parametri un uzņemtas mikrofotogrāfijas. Ar centrifugēšanas metodi izgatavoti PIR polimēra monolītie paraugi, pildīti ar nanodaļiņam.
Izmantojot mehānisko maisītāju, iegūti PIR putuplastu paraugi ar smalcināto linšķiedru koncentrāciju gatavā putuplastā 1% no svara.
Veiktas dažādu receptūru naftas un rapšu nepildīto PIR putuplastu un ar kapātām linu šķiedrām pildīto putuplastu, blīvumi 35 – 80 kg/m3, vienvirziena spiedes paralēli putošanas virzienam pārbaudes un rezultātu apstrāde, nosakot blīvumu, linearitātes robežu, Junga moduli, Puasona koeficientu, stiprību un atbilstošo robeždeformāciju. Novērtēta putuplasta blīvuma un pildvielas ietekme uz minētajam mehāniskajām īpašībām. Veiktas stiepes pārbaudes perpendikulāri putošanas virzienam ar īsām ogļšķiedrām pildītam PM-17 receptūras putuplastam (šķiedru svara daļa 0, 2, 4 un 6%) un iegūto datu apstrāde. Konstatēts ievērojams stiepes moduļa pieaugums, palielinot pildvielas relatīvo daudzumu.
Veiktas pildīta PIR putuplasta sabrukšanas stīgruma pārbaudes, izmantojot kompaktās stiepes metodi, plaisai izplatoties putošanas virzienā. Konstatēts, ka visas pārbaudītās pildvielas paaugstina putuplasta sabrukšanas stīgrumu par ~10%, t.i. īsu linšķiedru kā pildvielas efektivitāte stīgruma modificēšanai ir samērojama ar nanopildvielām.
Prognozēts sabrukšanas stīgrums PM-14 un PM-20 receptūru putuplastiem, izmantojot 2D galīgo elementu modeli un pamatpolimēra stinguma un stiprības datus. Iegūtie rezultāti salīdzināti ar iepriekš iegūtajiem stīgruma eksperimentālajiem datiem. Konstatēts, ka apmierinošai prognozes precizitātei modelī nepieciešams ievērot polimēra stienīšu plastisko deformēšanos. Uzsākta ar īsām šķiedrām pildīta putuplasta elastības īpašību prognozēšana, ievērtējot stienīšu, kas satur šķiedras, relatīvo daudzumu un stingumu.

Projekta gaitā noskaidroti vairāki būtiski secinājumi.
Izmantojot optisko mikroskopu un digitālo attēlu apstrādes programmatūru, noteiktas garuma un diametra vērtības sasmalcinātajām linu šķiedrām un konstruēta empīriskā sadalījuma funkcija to attiecībai. Veikti sākotnējie dabisko šķiedru daudzuma uz virsmas laukuma vienību mērījumi putuplasta paraugiem ar 4% šķiedru masas daļu. Pētītas lūksnes šķiedras mehāniskā griezēja optimizācijas iespējas, salīdzinot dažādus metāla nažus un to asinājuma leņķus. Izveidots 2D galīgo elementu modelis putuplasta plaisāšanas prognozēšanai. Modelī realizēti trīs slogošanas veidi – ar sprieguma robežnosacījumiem paraugam un ar sprieguma vai pārvietojuma robežnosacījumiem uz plaisas virsmas. Uzsākti konverģences pētījumi pie dažādām ģeometrisko parametru vērtībām un modeļa testēšana, izmantojot literatūrā atrodamus datus.
Turpinot augsti porainu putuplastu telpiskās struktūras restaurācijas pētījumus pēc putuplastu fotogrāfijām trijās savstarpēji perpendikulārās plaknēs, pilnveidotsmatemātiskais modelis, atkļūdota aprēķinu programma, veikti skaitliskie aprēķini specgadījumiem un salīdzinājums ar iegūtajiem struktūrelementu projekciju uz foto plaknēm datiem (projekciju garumu sadalījuma funkcijas 5 dažāda blīvuma un anizotropijas pakāpes rūpnieciski izgatavotiem PUR putu blokiem). Izmantojot putuplasta struktūrelementu ģeometrijas un telpiskās orientācijas eksperimentālos datus, uzsākta slodzi nesošo struktūras stieņu telpiskā orientatīvā sadalījuma funkcijas parametru noteikšana transversāli izotropiem putuplastiem. Lai uzlabotu teorētisko aprakstu, pētīta elipsoidālā sadalījuma funkcijas aproksimācija ar trigonometrisku polinomu. Uzsākta transversāli izotropa putuplasta stinguma modelēšana.
Kopumā pabeigta eksfoliētas plakanas silikāta nanodaļiņas (MMT tipa) saturoša polimēra kompozīta modeļa varianta izveide, kas ļauj ievērot pildītāja koncentrāciju, daļiņu anizometriju un to orientāciju materiālā. Ir izveidotas un noskaņotas attiecīgas datorprogrammas, kas izstrādāto matemātisko modeli realizē digitālā formā un ļauj atrast elastības konstanšu skaitliskās vērtības. Turpinot stiegrota anizotropa putuplasta īpašību ietekmes uz sfēriskas sieniņas skaņas caurlaidību matemātisko modelēšanu, skaitliski noteikta pašfrekvenču atkarība no relatīvā sieniņas biezuma, putuplasta anizotropijas pakāpes un Puasona koeficienta.
Lai pētītu monolītā polimēra matricas fizikāli-mehāniskās īpašības, ir izstrādāta metodika monolītu poliuretāna paraugu (plēvīšu) izgatavošanai. Izgatavoti monolītu paraugi (centrifugēti stienīši ar diametru ~1.5 cm un plēvītes), kuri raksturo putu poliuretāna un putu poliizocianurāta polimēra matricu gan no naftas ķīmijas polioliem, gan no rapšu eļļas polioliem. Veikti aprēķini par iegūto putuplastu polimēra matricas ķīmiskās uzbūves parametriem: izocianurāta ciklu, uretāna grupu un sāna ķēžu saturu. Izgatavoti 10 putu poliuretāna un putu poliizocianurāta kompozīciju paraugi slēgto poru satura un ūdens uzsūcamības ilglaicīgai testēšanai; veikta šo paraugu testēšana. Izstrādāta metodika izotropu putuplastu (vidējā šūnu izstiepuma pakāpe ~1.00) izgatavošanai. Izgatavoti paraugi ar praktiski izotropu struktūru. Ar mehānisko maisītāju izgatavoti PUR putu paraugi ar pildītāja – kapātu linšķiedru koncentrāciju (pēc svara) gatavā putuplastā 2, 4 un 6%.
Projekta 4.aktivitātes ietvaros veiktas PIR putuplastu PM-20, PM-R-2,5 un PM-R-2,9 un PM-18 (ar rapšu eļļu), PM-4 un PM-14 (naftas ķīmija) pamata polimēru stieņveida paraugu spiedes pārbaudes, nosakot blīvumu, linearitātes robežu, Junga moduli, Puasona koeficientu, stiprību un atbilstošo robeždeformāciju. Vienlaikus ir pārbaudīta putuplastu bīdes īpašību eksperimentālās noteikšanas metode. Ir pilnveidota bīdes īpašību izpētes iekārta augsti poraino putuplastu mehāniskajam pārbaudēm bīdes slogojumā un veiktas izotropo PIR putuplastu lējumu paraugu bīdes un spiedes pārbaudes. Veikta rūpnieciski izgatavoto putuplastu (blīvumi ρf = 33 un 75 kg/m3) eksperimentāli noteikto elastības moduļu spiedē un stiepē Esp un Est izpēte deformāciju „0” punktā, ka arī cikliskās slogošanas eksperimenta sagatavošana.
Tika turpināta iepriekšējā periodā uzsāktā putupoliuretāna ūdens sorbcijas eksperimentālā noteikšana mitras atmosfēras apstākļos un ūdenī. Iegūtie rezultāti liecina par paraugu mitruma lēnu paaugstināšanos. Pēc ~ 4000 stundu ilgām pārbaudēm mitruma līdzsvara stāvoklis paraugos nav sasniegts un sorbcija turpinās.
Veiktas rūpnieciski ražota PUR ar blīvumu robežās no 34 kg/m3 līdz 77 kg/m3 sabrukšanas stīgruma pārbaudes, izmantojot kompaktās stiepes metodi, plaisai izplatoties putošanas virzienā. Konstatēts, ka ar laboratorijas metodēm un rūpnieciski izgatavoto naftas ķīmijas putuplastu stīgruma vērtības ir tuvas. Uzsāktas ar īsām linšķiedrām pildītu PIR bioputuplastu sabrukšanas stīgruma pārbaudes putošanas virzienā.
Plašak par putuplasta stinguma prognozēšanas metodi var lasīt zinātniskajā rakstā: Lagzdins, A. Zilaucs, I. Beverte, and J. Andersons. „A refined strut model for calculating the elastic constants of highly porous cellular plastics by the method of orientational averaging”, kas publicēts žurnālā „Mechanics of Composite Materials”, 2012, Vol. 47, 589- 596.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūts turpina īstenot Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansēto projektu „Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde”. Laika posma no šā gada jūlija paveiktas daudzveidīgas aktivitātes, kas ir veiksmīgs pamats talāko pētījumu veikšanai un projekta mērķu īstenošanai.
Šobrīd ir noteikts Latvijā audzējamo kaņepju šķirnes USO3 elementāršķiedru stiepes stingums un stiprības un robeždeformācijas sadalījumi, pārbaudēs izmantojot šķiedras paraugus ar bāzi 20 mm. Balstoties uz iegūtajiem eksperimentālajiem datiem šķiedrām, novērtēts šķiedru mehānisko raksturlielumu mēroga efekts. Iegūtās kaņepju elementāršķiedru stinguma vērtības ir relatīvi zemas, tādēļ elementārās linšķiedras var izrādīties efektīvāks putuplasta stiegrojums. Par pētījuma rezultātiem ir sagatavots raksts zinātniskam žurnālam, kur interesenti ar iegūtajiem rezultātiem var iepazīties plašāk.
Vienlaikus ir uzsākta lūksnes šķiedras smalcināšanas iespēju izpēte to pielietošanai putuplasta stiegrošanai un lūksnes šķiedras griezēja maketa realizācija, kā arī uzsākta putuplastu ar zemu telpas aizpildījuma koeficientu struktūras.
Iepriekšējā periodā izstrādātais putuplastu elastības īpašību aplēses modelis pielietots izotropa PUR putuplasta elastības moduļa atkarības no tā relatīvā blīvuma prognozei. Aprēķinu rezultāti salīdzināti ar stiepes eksperimentu datiem vāji anizotropam PUR putuplastam ar lielu atvērto poru daļu. Zinātniskajā žurnālā ir sagatavots raksts, kas atspoguļo šospētījuma rezultātus.
Putuplasta elastības raksturlielumu aplēses modelis tika uzlabots, lai tajā ar lielāku precizitāti varētu atspoguļot nesošo elementu - stieņu telpisko orientāciju reālos putu polimēros. Šim nolūkam tika uzkonstruēta jauna nesošo stieņu orientatīvā sadalījuma funkcija, no kuras iepriekšējā funkcija izriet kā speciālgadījums. Uz šīs funkcijas bāzes ir izveidota attiecīga datorprogramma skaitlisko aprēķinu veikšanai.
Skaitliskajā analīzē iegūti kvantitatīvi dati par eksfoliētu montmorillonīta mālu (MMT) daļiņu orientācijas, koncentrācijas un ģeometrisko parametru ietekmi uz PUR elastības konstantēm. Turpinot stiegrota anizotropa putuplasta īpašību ietekmes uz sfēriskas sieniņas skaņas caurlaidību matemātisko modelēšanu, iegūti analītiski un skaitliski risinājumi, kas apraksta akustisko svārstību izplatīšanos sieniņā. Noteiktas sakarības starp amplitūdu un pašsvārstību frekvencēm brīvai anizotropai sfērai un sfērai gāzveida vidē pie ātrumu ierosmes uz sieniņas iekšējās virsmas. Izstrādātā metode tika pārbaudīta, pielietojot to zinātniskajā literatūrā aprakstītu dinamikas problēmu risināšanā un rezultātus salīdzinot ar publicētajiem pašfrekvenču datiem. Sastādītas anizotropas un izotropas sfēras pašfrekvenču tabulas, t.sk. ievērojot mijiedarbību ar dažāda blīvuma gāzveida vai šķidru vidi. Sagatavots algoritms skaņas viļņu amplitūdas novērtēšanai.
Veikta sākotnējā putu poliizocianurāta kompozīciju no naftas ķīmijas polioliem un rapšu eļļas polioliem optimizācija, uzputošanās aģentu un  katalītisko sistēmu izvēle.
Uzsākta rūpnieciski izgatavoto PUR putuplastu ar dažādiem blīvumiem mehānisko īpašību eksperimentāla izpēte slogošanā stiepē paralēli putošanas virzienam. Sāktas 100% naftas ķīmijas PIR putuplastu paraugu pārbaudes mitruma sorbcijas noteikšanai mitras atmosfēras un ūdens iedarbības apstākļos. Pirmie iegūtie rezultāti liecina par būtiski nelineāru materiāla mitruma atkarību no vides relatīvā mitruma. Pēc ~2000 stundu ilgām pārbaudēm paraugu mitrums turpina palielināties.
Veiktas PIR bioputuplastu ar blīvumu robežās no 40 kg/m3 līdz 70 kg/m3 sabrukšanas stīgruma pārbaudes, izmantojot kompaktās stiepes metodi, plaisai izplatoties putošanas virzienā. Konstatēts, ka ar laboratorijas metodēm uzputoto naftas ķīmijas un bioputuplastu stīgrums sistemātiski atšķiras. Uzsāktas rūpnieciski ražota PUR sabrukšanas stīgruma pārbaudes putošanas virzienā.
Projekta speciālisti par saviem pētījumu rezultātiem informē arī citu valstu kolēģus. Septembrī starptautiskā konferencē BIOFOAMS 2011 tika sniegts ziņojums par projektā iegūtajiem rezultātiem putuplastu bīdes mehānisko īpašību izpētē, kas publicēts konferences materiālos: Beverte, A. Lagzdins and V. Skruls „Mechanical Properties of Rigid Bio-Based Polyisocianurate Foams in Shear”.
Projekta mērķis ir poliizocianurāta putuplastu konstrukciju, siltumizolācijas u.c. materiālu funkcionālās efektivitātes un vides draudzīguma palielināšana, izstrādājot ar dabīgiem materiāliem – dabīgām, atjaunojamām šķiedrām vai/un silikātu nanodaļiņām pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastus.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūta īstenotais Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētais projekts „Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde” lielu uzmanību pieverš vides jautājumiem.
Projekta mērķis ir poliizocianurāta putuplastu konstrukciju, siltumizolācijas u.c. materiālu funkcionālās efektivitātes un vides draudzīguma palielināšana, izstrādājot ar dabīgiem materiāliem – dabīgām, atjaunojamām šķiedrām vai/un silikātu nanodaļiņām pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastus. Nepieciešamība vairot „zaļo”, videi draudzīgo materiālu īpatsvaru ekonomikā ir ļoti nozīmīga. Vecās PIR putuplastu ražošanas tehnoloģijas, kurās izmanto smagos freonus, apdraud ozona slāni un vairo „siltumnīcas efektu”, tāpēc projekta speciālisti strādā un veic pētījumus, lai atrastu videi draudzīgus risinājumus. Enerģētikas jomā nekvalitatīvi siltumizolācijas risinājumi rada nepieciešamību pēc pastiprinātas apkures, t.sk. fosilā kurināmā sadedzināšanas, kas rada CO2 emisiju un vairo minēto „siltumnīcas” efektu. Arī Kioto protokols paredz, ka putuplastu ražošanā ir nepieciešams izmantot vidi neapdraudošus uzputošanas risinājumus.
Kā izejmateriāli putu poliizocianurāta ražošanai pasaulē galvenokārt tiek izmantoti naftas pārstrādes produkti, kuru rezerves pasaulē ir ierobežotas, tiek paredzēts, ka tās izsīks tuvāko 40-50 gadu laikā. Projekta darbā tiek domāts par to, lai tiktu mazināts naftas produktu īpatsvars putu poliizocianurāta ražošanā.
Projekta darbā tiek ņemts vērā arī tas, ka augu eļļu pāresterifikācija nedrīkst notikt ar kaitīgiem blakus efektiem.

Aprīļa, maija un jūnija mēnešos turpināti pētījumie projekta „Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde” ietvaros.
Pilnveidots iepriekšējā periodā izstrādātais putuplastu elastības īpašību aplēses modelis, ievērojot ne tikai polimēra stieņu, bet arī mezglu ietekmi uz putuplasta deformēšanos. Tādējādi izveidots strukturāls matemātiskais modelis augstas porainības nepildītu izotropu un anizotropu putuplastu elastības konstanšu aprēķināšanai. Ir izveidotas un noskaņotas attiecīgas datorprogrammas, kas minēto matemātisko modeli realizē digitālā formā un ļauj atrast elastības konstanšu skaitliskās vērtības gan izotropiem, gan anizotropiem augstas porainības putuplastiem. Sasniegtie pētījumu rezultāti tuvākajā laikā tiks publiskoti arī zinātniska rakstā, lai ar tiem plašāk varētu iepazīties visi interesenti.
Sagatavots rūpnieciski izgatavotu, transversāli izotropu, nepildītu naftas ķīmijas PUR putuplastu eksperimentālo pārbaužu datu apkopojums izstrādātā putuplastu elastības īpašību aplēses modeļa aprobācijai.
Izstrādāts pilnībā eksfoliētus plakanus pildvielas nanoslāņus saturoša polimērkompozīta elastīgo īpašību matemātiskais modelis. Skaitliskajā analīzē iegūti dati par eksfoliētu montmorillonīta mālu nanodaļiņu koncentrācijas ietekmi uz poliuretāna elastības konstantēm.
Uzsākta anizotropa (transversāli izotropa) stiegrota putuplasta akustisko īpašību matemātiskā modeļa izstrāde, kas pielietojams putuplasta skaņas izolēšanas īpašību teorētiskam novērtējumam.
Noteikts Latvijā audzējamu kaņepju šķirnes USO3 elementāršķiedru stiepes stingums un stiepes stiprības sadalījums, pārbaudēs izmantojot šķiedras paraugus ar bāzi 5 mm. Sākta 20 mm bāzes izgatavošana mēroga efekta eksperimentālai novērtēšanai.
Veikti sagatavošanas darbi poliizocianurāta (PIR) putuplastu ūdens tvaiku sorbcijas eksperimentālajām pārbaudēm.
Veiktas naftas ķīmijas (tilpumsvari 50, 63 un 91 kg/m3) un bio PIR putuplastu (poliolu sistēmā līdz 55% veido Latvijā audzētu rapšu eļļas esteri, tilpumsvari 36, 48 un 70 kg/m3) bīdes eksperimentālās pārbaudes, kā arī citi pētījumi.

2011.gada 13.-15. Jūnijā Grieķijā norisinājās starptautiska konference „Materials Characterisation 2011 (Fifth International Conference on Computational Methods and Experiments in Materials Characterisation, Materials Characterisation 2011, 13-15 June, Kos, Greece)”.
Ar referātu konferencē piedalījās projekta vadītājs Jānis Andersons. Viņš sniedza konferences dalībniekiem informāciju par projektā iegūtajiem rezultātiem kaņepju elementārsķiedras stiprības izpētē „Mechanical damage characteristics of elementary hemp fibers and scale effect of fiber strength”.

ERAF projekta „Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde” ietvaros tā pirmajos darbības mēnešos paveiktas daudzveidīgas aktivitātes.
Projekta vadītājs uzsver galvenos sasniegumus: „Eksperimentālajām stiepes pārbaudēm izgatavoti 27 Latvijā audzējamu kaņepju šķirnes USO3 elementāršķiedru paraugi ar bāzi 5 mm un noteikti to vidējie diametri. Eksperimentālajām pārbaudēm izgatavotas divas sērijas vieglo, cieto PIR putuplastu lējumu bloku, izmantojot: a) naftas izcelsmes izejvielas un b) dabīgās izejvielas - Latvijas rapšu eļļa (bioputuplasti) sekojošā tilpumsvaru diapazonā: 30 – 70 kg/m3.” Šādas aktivitātes ir būtisks priekšnosacījums tālākiem pētījumiem, kuros liela uzmanība ir pievērsta tieši Latvijā pieejamo materiālu efektivitātei un izmantošanas daudzveidībai.
Izstrādāts matemātisks modelis, kas saista putuplastu elastības īpašības ar polimēra elastības īpašībām un polimēra stienīšu ģeometriju, tas arī aprobēts.
Ir uzsākta aplēses modeļa, kam pamatā ir abos galos mezglā nostiprināts (ar locīklām vai iespīlējumu), slaids izotropa materiāla stienis, un programmatūras izstrāde putuplasta nelineārās deformēšanās skaitliskai modelēšanai.
Izveidots modelis putuplasta stienīša stinguma pieauguma stiepē un liecē skaitliskam novērtējumam, ja tas satur armējošu šķiedru ar zināmu ģeometriju un elastības īpašībam, pieņemot ideālu šķiedras un polimēra adhēziju.
Izgatavoti paraugi stiepes, spiedes un bīdes pārbaudēm naftas izcelsmes cietā PIR putuplasta lējuma blokam un veiktas atbilstošās pārbaudes.
Lai noskaidrotu jau paveikto pētījumu rezultātus un citu pieredzi, projekta pētnieki ir veikuši zināniskās literatūras apskatu par vieglo tradicionālo un bioputuplastu morfoloģiju, mehāniskajām un akustiskajām īpašībām, to eksperimentālas noteikšanas metodēm un standartiem, putuplastu pildvielām un stiegrošanu, nanopildvielu (mālu) virsmas organisko modificēšanu, pildīšanas un stiegrošanas ietekmi uz putuplastu morfoloģiju un mehāniskajām īpašībām.

Latvijas Universitātes Polimēru mehānikas institūts ir uzsācis īstenot Eiropas Reģionālās attīstības fonda līdzfinansētu projektu „Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde”.
Projekta mērķis ir poliizocianurāta putuplastu konstrukciju, siltumizolācijas u.c. materiālu funkcionālās efektivitātes un vides draudzīguma palielināšana, izstrādājot ar dabīgiem materiāliem – dabīgām, atjaunojamām šķiedrām vai/un silikātu nanodaļiņām pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastus.
Projekta ietvaros plānots veikt vairākas aktivitātes. Liels darbs tiks ieguldīts izpētes darbā: pildītāju izpētē, pildīto bioputuplastu īpašību prognozēšanas matemātisko modeļu izstrādē, pildīto bioputuplastu izgatavošanas fizikāli-ķīmisko procesu izpētē, pildīto bioputuplastu fizikāli-mehānisko īpašību izpētē, pildīto bioputuplastu īpašību prognozēšanā. Projekta tiks veikta arī pildīto bioputuplastu eksperimentālā ražošana. Paredzēta rūpnieciskā īpašuma tiesību nostiprināšana.
Projekta vadība un īstenotāji uzskata, ka Latvijai ir potenciāls un visi nepieciešamie priekšnosacījumi, lai īstenotu projektu, kurā tiks izmantotas atjaunojamās izejvielas – rapšu eļļa, dabīgās šķiedras, aizstājot ar tām naftas produktus, kuri mūsu valstī pieejami ļoti ierobežotā apjomā.
Projekts tiks īstenots 36 mēnešu garumā, tā plānotās izmaksas ir 285 500 LVL.

Poliizocianurāta putuplastu patēriņš pasaulē pieaug ar katru gadu, tāpēc projekta „Ar dabīgiem materiāliem pildītu cieto poliizocianurāta bioputuplastu izstrāde” darbs ir ļoti aktuāls šobrīd. Valstī ir svarīga zināšanu ietilpīgas ekonomikas veidošana, tādējādi paredzot veiksmīgu tālāku valsts ekonomisko attīstību un zinātnes izaugsmi. Cietie poliizocianurāta putuplasti sakarā ar savām izcilajām siltumizolācijas īpašībām un vienlaicīgi noteiktu slodzes nestspēju ir raduši plašu pielietojumu tādās tautsaimniecības nozarēs kā būvniecība (sendvičkonstrukcijas un paneļi, siltumizolācija, monolītie būvelementi), rūpniecība (iekārtu korpusi un detaļas), transports (aukstuma furgoni, transporta līdzekļu siltumizolācija, avārijas amortizatori), sabiedriskie pakalpojumi (dažādu ēku būve, siltuma un aukstuma izolācija) u.c.
Projekta aktivitātēs veiks tādu cieto bioputuplastu receptūru izstrādi, kuros ir ievadīti pildītāji (dabīgās šķiedras vai/un silikātu nanodaļiņas), kā arī veiks to izgatavošanas tehnoloģiju izstrādi. Veicot šādas darbības, var izgatavot funkcionālajā ziņā uzlabotus materiālustiem ir zems siltumvadītspējas koeficientu, paaugstināts stingums un stiprība, pazeminātu deformējamība, pazemināta degamību, laba skaņas izolācija u.tml.
Pasaulē izsīkst naftas produktu rezerves, bet projekta pētījumi ir balstīti uz to, lai naftas ķīmijas izejvielas aizstātu ar augu valsts izejvielām: rapšu eļļas ēsteriem. Zīmīgi, ka rapšus var audzēt arī Latvijā. Tas ļaus samazināt arī ražošanas izmaksas, jo lētās rapšu eļļas izmantošana palīdzēs ievadīt tirgū inovatīvu, funkcionāli efektīvu kompozītmateriālu.
Dabīgā materiāla izmantošana atstās nozīmīgu ietekmi uz vidi, jo tiks radīti videi draudzīgi materiāli. Netiks apdraudēts ozons, kā arī rapšu eļļas pāresterifikāciju veiks bez kaitīgiem blakus efektiem.