Realizacja - 2021

  • Treść strony ...

  • Bieżące działania w projekcie
    (II półrocze 2021)

    W ramach projektu w II półroczu 2021 wykonano kolejną partię badań związanych z wytwarzaniem oraz badaniami fizycznymi i chemicznymi kompozytów zawierających dodatek biopolimerów. Postęp rzeczowy związany z realizacją projektu dotyczył głownie badań mechanicznych oraz palno-dymowych. Wykonano także analizy energii powierzchniowej, analizy spektroskopowe FTIR/ATR, pomiary gęstości oraz twardości. Obszerne badania mechaniczne oraz palno-dymowe wykonane zostały przez Wydział Mechaniczny PŁ i Lidera projektu firmę TAPS. Na ich podstawie została przeprowadzona dokładna analiza. Dokonano selekcji najkorzystniejszych składów kompozycji polimerowych zawierających zmodyfikowane fizycznie biopolimery. Selekcja przeprowadzona była pod kątem parametrów wytrzymałości na zrywanie, modułu Younga, całkowitej ilości wydzielanego dymu podczas badań palno-dymowych, intensywności wydzielanego ciepła HRR, czasu do osiągnięcia HRR, czasu początku zapalenia czy udziału procentowego szkła w kompozycie. Przeprowadzono także modyfikacje chemiczne biopolimerów, które w kolejnych etapach będą aplikowane do matrycy polimerowej. Skupiono się głównie na modyfikacji mechano-chemicznej włókien celulozowych przy użyciu silanów celem ich hydrofobizacji oraz lepszej kompatybilności z matrycą żywicy epoksydowej.

    Koncentrowano się również na doborze oraz optymalizacji procesu przetwórczego wytworzonych kompozytów polimerowych. W związku z powyższym, stosowano różny udział wagowy wyselekcjonowanych oraz zaprojektowanych w odpowiednich reakcjach chemicznych biododatków. W celu uzyskania materiału kompatybilnego z matrycą polimerową, tj. kompozytów żywiczno-polisacharydowych, żywiczno-polipeptydowych oraz żywiczno-poliestrowych, wytypowane substancje scharakteryzowano analizą spektroskopową, obliczeniem indeksów karbonylowych CO, wielkością cząstek itp. Wytworzone materiały zawierały także układy hybrydowe składające się z fibrylarnych białek wyjściowych oraz biododatków na bazie polifenoli i terepenoidów. Matryce polimerowe wzbogacono również w niewielkich procentowych ilościach, układami mono oraz hybrydowymi zawierającymi substancje o właściwościach antybakteryjnych. Badano także właściwości anizotropowe zastosowanych układów. Wstępna analiza fizyko-chemiczna uzyskanych na tym etapie kompozytów opierała się na optymalizowaniu parametrów przetwórstwa, pomiarach organoleptycznych, mechanicznych, a także analizie spektroskopowej.
    Badania fizyko-chemiczne obejmowały pomiary zwilżalności powierzchni wytworzonych kompozytów wykonane metodą goniometryczną, pomiary twardości wg skal Shore’a C i D, dla modyfikowanej kompozycji polimerowej względem materiału niemodyfikowanego oraz parametry gęstości wytworzonych kompozytów metodą hydrostatyczną.

    W ramach badań mechanicznych wykonano próby wytrzymałościowe jednokierunkowego rozciągania, które zostały wykonane dla kilkudziesięciu różnych materiałów w tym termoplastów. Dla niektórych płyt próby jednokierunkowego rozciągania były wycinane w trzech różnych kierunkach (wzdłużnym, poprzecznym oraz pod kątem 45 stopni do brzegów płyty) w celu wyznaczenia parametrów mechanicznych i poziomu ortotropii. Testy rozciągania próbek o wymiarach nominalnych jak i zmniejszonych wykonywane były w oparciu o normę IS0 527. Wyniki z dotychczas przeprowadzonych badań parametrów mechanicznych dość dobrze rokują i możliwe będzie spełnienie kamieni milowych w tym zakresie. Ponadto dla uzyskanych termoplastów o odpowiednich właściwościach, przeprowadzono normatywne testy numeryczne podłokietnika w celu weryfikacji stanu naprężenia i odkształcenia. W badaniach przemysłowych dokonano obserwacji na mikroskopie skaningowym kilkudziesięciu próbek wykonanych z tych obiektów.
    W ramach badań mikrobiologicznych wykonano wstępne badania termoplastów z komercyjnymi dodatkami biostatycznymi.

    Wykonane zostały badania palno-dymowe, wg wymagań EN 45545-2, wytworzonych w etapie 1 w skali laboratoryjnej próbek materiałów z modyfikowanej żywicy termoutwardzalnej o zwiększonej podatności na rozkład, zawierającej biododatki, w tym obniżające palność. Przeprowadzono również oceny jakościowe i ilościowe materiałów z prób technologicznych w skali laboratoryjnej. Zestawiono wyniki kilkudziesięciu badań palno-dymowych w odniesieniu do zawartości i rodzajów biododatków. Zauważono pozytywny wpływ skrobi i kwercytyny na wskaźnik MARHE (wartości poniżej 60 kW/m2) i utrzymanie gęstości dymów (wartości Ds.(4) i VOF4 odpowiednio poniżej 150 i 300) dających ocenę ryzyka pożaru na poziomie HL3. Umożliwia to zaklasyfikowanie pojazdów do eksploatacji na odcinkach podziemnych, tunelach i/lub na konstrukcjach wyniesionych ponad powierzchnię terenu, bez lub z możliwością ewakuacji bocznej i w których są stacje lub stacje ratownicze, które zabezpieczają bezpieczne miejsce dla pasażerów, dostępne po krótkim czasie jazdy, dla wszystkich kategorii pojazdów (wg EN 45545-1 punkt 5.2).

  • Current activities in the project
    (2st half of 2021)

    As part of the project, in the second half of 2021, another batch of tests related to the production and physical and chemical tests of composites containing the addition of biopolymers was carried out. Material progress related to the implementation of the project concerned mainly mechanical and combustible-smoke tests. Surface energy analyses, FTIR/ATR spectroscopic analyses, density and hardness measurements were also performed.
    Extensive mechanical and combustible-smoke tests were carried out by the Faculty of Mechanical Engineering of the Lodz University of Technology and the project leader, TAPS. On their basis, a thorough analysis was carried out. The most advantageous compositions of polymer compositions containing physically modified biopolymers were selected. The selection was carried out in terms of the parameters of breaking strength, Young's modulus, the determination of optical density smoke emission during the smoke tests by a single-chamber test, the rate of the heat emitted HRR, time to HRR, time of onset of ignition during the reaction-to-fire tests or the percentage of glass in the composite. Chemical modifications of biopolymers were also carried out, which in the next stages will be applied to the polymer matrix. The focus was mainly on the mechano-chemical modification of cellulose fibers using silanes for their hydrophobization and better compatibility with the epoxy resin matrix.

    The focus was also on the selection and optimization of the processing process of the produced polymer composites. Due to the above, different weight shares of bioadditives selected and designed in appropriate chemical reactions were used. In order to obtain a material compatible with the polymer matrix, i.e. resin-polysaccharide, resin-polypeptide and resin-polyester composites, the selected substances were characterized by spectroscopic analysis, calculation of CO carbonyl indexes, particle size, etc. The produced materials also contained hybrid systems consisting of fibrillar proteins starting materials and bioadditives based on polyphenols and terepenoids. Polymer matrices were also enriched in small percentage amounts with mono and hybrid systems containing substances with antibacterial properties. The anisotropic properties of the systems used were also tested. The initial physico-chemical analysis of the composites obtained at this stage was based on optimization of processing parameters, organoleptic and mechanical measurements, as well as spectroscopic analysis. Physico-chemical tests included measurements of wettability of the surface of the composites produced by the goniometric method, hardness measurements according to the Shore C and D scales for the modified polymer composition in relation to the unmodified material and density parameters of the composites produced by the hydrostatic method. As part of the mechanical tests, unidirectional tensile strength tests were performed for several dozen different materials, including thermoplastics. For some boards, unidirectional tensile tests were cut in three different directions (longitudinal, transverse and at an angle of 45 degrees to the edges of the board) in order to determine the mechanical parameters and the level of orthotropy. Tensile tests of samples with nominal and reduced dimensions were performed on the basis of the IS0 527 standard. The results of the mechanical parameters tests carried out so far bode well and it will be possible to meet milestones in this area. In addition, for the obtained thermoplastics with appropriate properties, normative numerical tests of the armrest were carried out to verify the state of stress and strain. In industrial research, several dozen samples made of these objects were observed using a scanning microscope. As part of the microbiological tests, preliminary tests of thermoplastics with commercial biostatic additives were performed.

    Combustible-smoke tests were carried out, in accordance with the requirements of EN 45545-2, of samples of materials made of modified thermosetting resin with increased susceptibility to decomposition, containing bioadditives, including flame retardants, manufactured in stage 1 on a laboratory scale. Qualitative and quantitative assessments of materials from technological tests on a laboratory scale were also carried out. The results of several dozen combustible-smoke tests with regard to the content and types of bioadditives were presented. A positive effect of starch and quercitin on the MARHE index (values below 60 kW/m2) and the smoke density (Ds.(4) and VOF4 values below 150 and 300, respectively) were noted, giving a fire risk rating of HL3. This makes it possible to classify vehicles for operation in underground sections, tunnels and/or on elevated structures, without or with the possibility of lateral evacuation and where there are rescue stations or stations that provide a safe place for passengers, accessible after a short driving time, for all vehicle categories (according to EN 45545-1 point 5.2).

  • Bieżące działania w projekcie
    (I półrocze 2021)

    Celem projektu jest wytworzenie kompozytów o obniżonej palności i zdefiniowanych cechach biostatycznych z dodatkami ułatwiającymi degradowalność lub kompostowalność. Przeznaczeniem kompozytów będzie uzyskanie z nich demonstratorów podzespołów fotela (osłony, nakładek podłokietników, nośników oparcia/siedziska) do pojazdów szynowych z wykorzystaniem nowej generacji, przyjaznych środowisku materiałów w branży kolejowej.

    W pierwszym okresie sprawozdawczym dobrano składy biododatków, w postaci białek kolagenowych, keratynowych fibrylarnych, skrobiowych pochodzenia zwierzęcego jak i pochodzenia roślinnego, które zmodyfikowane fizycznie wprowadzano do matryc żywicznych. W procesie technologicznym zostały wprowadzone także włókna szklane i wytworzono wielowarstwowe kompozyty polimerowe. Opracowano parametry przetwórcze, na które składają się nie tylko czynniki fizyczne, temperatura, ciśnienie czas przetwórczy, ale także odpowiednie przygotowanie kompozytów w postaci prepregów, formowanie, termostatowanie, kolejność dozowania składników oraz sposób wprowadzenia surowców do matrycy polimerowej, celem wytworzenia wielowarstwowych materiałów. Dokonana została także wstępna charakterystyka obejmująca badania twardości, gęstości hydrostatycznej, kąta zwilżania prowadzącego do określenia energii powierzchniowej i oddziaływań, badania spektroskopowe, mikroskopie optyczną, zmianę barwy, zmianę energii powierzchniowej itp. Na podstawie przeprowadzonych analiz zauważono zamierzony spadek gęstości hydrostatycznej dochodzący do 5% względem matryc niezawierających biododatków. Wprowadzenie dodatków pochodzenia naturalnego o różnych kształtach, zunifikowanych rozmiarach wielkości ziarna, doprowadziło do wzrostu twardości nawet do 10%. Analizy organoleptyczne, jak i mikroskopia optyczna pokazały dobre rozprowadzenie dodatków w matrycy żywicy epoksydowej. Wizualnie powierzchnie nie różniły się od kompozytów natywnych. Natomiast o możliwych oddziaływaniach zachodzących pomiędzy syntetyczna żywicą a naturalnymi napełniaczami świadczą zmiany w pasmach spektroskopowych widoczne na widmach w podczerwienie w FTIR. Przeprowadzono próby wytrzymałościowe (próba rozciągania) materiału wytworzonego w etapie 1. Nie dysponuje jeszcze kompletnymi wynikami, ale widać iż niektóre biododatki mogą mieć istotny wpływ na osłabienie właściwości mechanicznych kompozytu.

    W trakcie realizacji projektu w kwartałach I oraz II w ramach działań etapu 1. a następnie 5. ujednolicono proces przetwórczy, tak aby prace wykonywane nad wytworzeniem kompozytów w PŁ dały kompozyty zgodne z wytwarzanymi w TAPS. Po dokładnym obejrzeniu procesu wytworzenia kompozytów żywicznych wzmacnianych tkaninami szklanymi przez pracowników PŁ, została wspólnie opracowana procedura dokładnego wytwarzania kompozytu epoksydowo-szklanego do wykonywania przez PŁ. W warunkach technologicznych na PŁ przy udziale technologa TAPS i pracowników Laboratorium TAPS dokonano weryfikacji procesu technologicznego. Po usunięciu zaistniałego problemu jakość kompozytów uległa znacznej poprawie, tym samym dając materiały organoleptycznie zbliżone do wytwarzanych przemysłowo w TAPS.

    W ramach prac przemysłowych w drugim kwartale 2021 roku przeprowadzono, bazując na karcie UIC 566, specyfikacji GrulaSI i dokumencie UNIFE TRIPSRV, analizę wymagań wytrzymałościowych odnoszących się do materiałów, z których będą wykonywane demonstratory elementów podłokietnika (nakładka) – PA i PC/ABS, osłony – PC/ABS i nośniki oparcia/siedziska – GFRP fotela do pojazdów szynowych. Przekazano modele tych podzespołów celem określenia minimalnych parametrów materiałowych. Dokonano oceny palno-dymowej materiałów termoplastycznych o właściwościach bakteriostatycznych dostępnych na rynku w postaci płyt do termoformowania i dodatku do granulatu. Wstępne badania mikrobiologiczne nie wykazały wyraźnego efektu bakterio– grzybobójczego tych materiałów (wszystkie oferowane komercyjnie termoplasty bazują na nanosrebrze – nie ma ono obecnie „dobrej prasy” – nasze pomysły obejmują środki naturalne dające efekt przeciwdrobnoustrojowy). Dokonano też oceny palno-dymowej wszystkich materiałów GFRP wykonanych po wspólnych ustaleniach procedury technologicznej. Do tej pory żaden z proponowanych biododatków nie powoduje istotnego obniżenia właściwości palno-dymowych kompozytów.

  • Current activities in the project
    (1st half of 2021)

    The aim of the project is to produce composites with reduced flammability and defined biostatic properties with additives facilitating degradability or compostability. The purpose of composites will be to obtain demonstrators of seat components (covers, armrest pads, backrest / seat supports) for rail vehicles using a new generation of environmentally friendly materials in the railway industry.

    In the first reporting period, the composition of bioadditives in the form of collagen, fibrillar keratin, starch proteins of animal and plant origin were selected, which were physically modified and introduced into resin matrices. In the technological process, glass fibers were also introduced and multilayer polymer composites were produced. Processing parameters were developed, which include not only physical factors, temperature, pressure, processing time, but also the appropriate preparation of composites in the form of prepregs, forming, thermostating, the order of dosing of ingredients and the method of introducing raw materials into the polymer matrix to produce multilayer materials. Initial characteristics were also made, including tests of hardness, hydrostatic density, contact angle leading to the determination of surface energy and interactions, spectroscopic tests, optical microscopy, color change, change of surface energy, etc. On the basis of the conducted analysis, an intended decrease in the hydrostatic density of up to 5% in relation to matrices without bio-additives was noticed. The introduction of additives of natural origin with various shapes and uniform grain sizes, led to an increase in hardness by up to 10%. Organoleptic analysis as well as optical microscopy showed a good distribution of the additives in the epoxy resin matrix. Visually, the surfaces did not differ from native composites. On the other hand, the possible interactions between the synthetic resin and natural fillers are evidenced by changes in spectroscopic bands visible in the infrared spectra in FTIR. Strength tests (tensile test) of the material produced in stage 1 were carried out. It does not yet have complete results, but it can be seen that some bioadditives may have a significant impact on the reduction of the mechanical properties of the composite.

    During the project implementation in quarters I and II, the processing process was unified as part of the activities of stage 1 and then 5, so that the work on the production of composites at Lodz University of Technology resulted in composites compliant with those produced by TAPS. After a thorough inspection of the process of producing resin composites reinforced with glass fabrics by the employees of the Lodz University of Technology, a joint procedure was developed for the precise production of an epoxy-glass composite to be performed by Lodz University of Technology. In technological conditions at TUL, with the participation of TAPS technology and TAPS Laboratory employees, the technological process was verified. After eliminating the problem, the quality of composites improved significantly, thus giving organoleptically similar materials to those produced industrially in TAPS.

    As part of industrial works in the second quarter of 2021, an analysis of the strength requirements for the materials of which the armrest elements demonstrators (overlay) will be made - PA and PC / ABS, covers - PC / ABS and backrest / seat supports - GFRP seat for rail vehicles. Models of these components were provided in order to determine the minimum material parameters. A fire-smoke assessment of thermoplastic materials with bacteriostatic properties, available on the market in the form of thermoforming plates and granulate additive, was performed. Initial microbiological tests did not show a clear bactericidal and fungicidal effect of these materials (all commercially available thermoplastics are based on nanosilver - there is no "good press" at present - our ideas include natural agents with antimicrobial effect). A fire and smoke assessment of all GFRP materials was also performed after joint arrangements of the technological procedure. So far, none of the proposed bioadditives significantly reduces the fire-smoke properties of composites.

Skontaktuj się z nami