3. posms

Projekta 3. posmā veikti pētījumi par termoplastiskās cietes (TPC) un nanostrukturētu mālu kompozītmateriālu struktūru, izvēlētām ekspluatācijas īpašībām (barjeras un termiskajām īpašībām, kā arī mehāniskajām īpašībām pie dažādiem apkārtējas vides relatīvā mitruma līmeņiem) un šo īpašību kopsakaru. Nanostrukturētas slāņaino silikātu nanodaļiņas saturoši termoplastiskās cietes nanokompozīti iegūti izmantojot divpakāpju termoplastiskās samaisīšanas paņēmienu, kas nodrošina uzlabotu nanodaļiņu disperģējamību augsti viskozajā polimēra matricā. Izvērtējot bīdes spriegumu iedarbību uz kompozītu īpašībām un daļiņu disperģējamību matricā, noteikti tehnoloģiskie parametri uzlabotu TPC matricas nanokompozītu iegūšanai. Ar rentgendifrakcijas palīdzību konstatēts, ka mālu daļiņas ir disperģējušās, veidojot interkalētu struktūru, uz ko norāda spektra raksturīgo maksimumu nobīde mazāku 2θ vērtību virzienā. Uz mālu daļiņu un cietes savstarpējo mijiedarbību norāda arī iegūtie infrasarkanās spektroskopijas spektri. Vienlaicīgi tika konstatēta materiāla barjeras, mehānisko (elastības moduļa pieaugums par 30-50%, stiprība par 20-30%, kamēr relatīvā sagraušanas pagarinājuma samazinājums ir ne vairāk par 10%) un termisko īpašību uzlabošanās, palielinot nanomālu saturu (līdz 2 m. %) TPC matricā. Uz veikto pētījumu bāzes, izstrādāts maģistra darbs, kas sekmīgi aizstāvēts 2016. gada jūnijā.

Projekta 3. posmā turpināti pētījumi par daudzsieniņu oglekļa nanocaurulīšu (DSONC) modificēšanu (t.sk., ar jonu šķidrumiem un tiofēna atvasinājumiem) nolūkā uzlabot to disperģējamību polimēru matricās, kas ļautu pieskaņot to termiskās, siltumfizikālās, elektriskas un mehāniskās īpašības atbilstoši specifisku pielietojumu prasībām (t.sk., elektromagnētiskā starojuma barjeras materiāli, viedie materiāli/sensormateriāli, termoelektriskie materiāli). Salīdzinājumā ar nemodificētām kompozīcijām, pētītas modificētas oglekļa caurulītes saturošo kompozītu, kā arī radiācijas modificētu daudzkomponentu sistēmu morfoloģiskās (t.sk., TEM), kalorimetriskās (DSC), mikromehāniskās un termofizikālās īpašības (t.sk., siltumvadāmība). Kopumā gūts apliecinājums, ka nanocaurulītes ir sekmīgi modificētas ar izvēlētajiem ķīmiskās funkcionalizēšanas paņēmieniem – modificēšanu ar jonu šķidrumiem (JS), poli(2,2’-bitiofēnu) (PBT). Īstenota funkcionalizētās nanocaurulītes (JS-ONC un PBT-ONC) saturošu dažādu etilēna-oktēna matricu kompozītu iegūšana, izmantojot kombinētu šķīdinātāja-termoplastiskās samaisīšanas paņēmienu, kas nodrošina uzlabotu nanopildvielas disperģējamību polimēra matricā un tādējādi ir priekšnoteikums dažādu EOK matricas kompozīciju uzlabotajām elektriskajām, dinamiskajām un kvaziststiskajām elastiskajām, stiprības-deformācijas un termofizikālajām īpašībām. Šajā sakarā konstatēts, ka modificēto oglekļa nanocaurulīšu ievadīšanas/koncentrācijas paaugstināšanas rezultātā notiek polimēra matricas, it īpaši EOK 17, kristalizācijas maksimālās temperatūras, kā arī kristāliskuma pakāpes pieaugums, liecinot par oglekļa nanopildvielas ietekmi uz nukleācijas procesa norisi sistēmās. Noskaidrots, ka oglekļa nanopildvielu ievadīšanas rezultātā notiek arī sistēmu termiskās difuzitātes un siltumvadāmības gandrīz lineāra palielināšanās (attiecīgi līdz 50 un 40%). Mikrocietībās pētījumu rezultātā konstatēts, ka palielinot oglekļa nanopildvielas saturu, pieaug kompozītu virsmas cietība, kā arī cietības modulis (līdz 70%). Jāatzīmē, ka atsevišķi pētījumi (elektronu mikroskopijas un mikrocietības) veikti sadarbībā ar Kaseles Universitāti, tādējādi vēl vairāk nodrošinot pētījumu rezultātu popularizēšanu/izplatīšanu, kas var būt par pamatu turpmākas sadarbības plāna izstrādei un kopēju sadarbības projektu iesniegšanai pēc Valsts pētījumu projekta beigām.

Turpināti pētījumi par hibrīdo kompozītmateriālu izstrādi uz nolietoto polimēru un dabas šķiedru bāzes, izvērtējot kaņepju, kā arī otrreizējo sintētisko šķiedru satura ietekmi uz kompozītmateriālu struktūru, kā arī mehāniskajām un gāzu un šķidrumu caurlaidības īpašībām, nolūkā rast pielietojumu filtrelementu izstrādei. Izvērtējot izstrādāto hibrīdkompozītu īpašības, konstatēts, ka maksimālā stiprība stiepē un elastības modulis ir kompozītiem ar kaņepāju šķiedru pirmapstrādi 40°C temperatūrā, kamēr kaņepāju šķiedru pirmapstrādes temperatūrai nav būtiska ietekme uz kompozītu pagarinājumu stiepē, kā arī ūdens un gaisa caurlaidību. Atkarībā no presēšanas temperatūras un spiediena iegūti kompozīti ar atšķirīgu blīvumu, kas ietekmē to mehāniskās īpašības (palielinoties blīvumam, pieaug stiprības-deformācijas īpašības). Vienlaicīgi nodrošināts, ka ar biodegradablās komponentes saturu līdz pat 80% iespējams atbilstošus kompozīta mehānisko īpašību rādītājus. Konstatēts, ka pie augstākas temperatūras un zemāka spiediena iegūtais kompozīts ar lielāko blīvumu un mazāko biodegradablās šķiedras saturu, nodrošina visaugstākos stiprības-deformatīvos rādītājus, kā arī atbilstošu caurlaidību, kas ir nepieciešama pielietojumiem videi draudzīgās filtrācijas sistēmās. Vienlaikus konstatēts, ka armējošā sieta īpatsvara palielināšana kompozītā ļauj līdz pat 3 reizēm uzlabot daudzslāņu sistēmas stiprību. Svarīgi atzīmēt, ka pieaugot stiprībai, kompozītu deformējamības samazinājums ir proporcionāli mazāks, nodrošinot filtrējošiem materiāliem pieņemamu deformējamību.

Veikti padziļināti pētījumi par polioksimetilēna (POM) kompozītu ar dažāda α-oktēna satura etilēna kopolimēriem (EOK) un cinka oksīdu (ZnO) struktūras un ekspluatācijas īpašību korelāciju. Analizējot šādu kompozītu morfoloģiju atkarībā no sastāva, konstatēts, ka ZnO nanoizmēru līmenī vienmērīgi disperģēts polimēra matricā, ļaujot uzlabot materiālu elastiskās, triboloģiskās un termiskās īpašības. Izmantojot ar termogravimetrisko analīzi sajūgtu infrasarkano spektroskopiju, konstatēts, ka gan EOK, gan ZnO ievadīšana uzlabo POM matricas nanokompozītu termisko stabilitāti. Parādīts, ka termiski sadaloties POM/EOK/ZnO kompozīcijām, izdalīto gaistošo vielu spektrs – t.sk., formaldehīds, metilformiāts un metanols, kas rodas POM komponentes sadalīšanās procesā, kā arī etilēns un vairāki citi oligomēri, piemēram, propilēns un pentēns, kas rodas šķeļoties EOK sānu atzarojumiem, kā arī dažādās vietās sagrūstot makromolekulas skeletam - un katras atsevišķās emitētās komponentes daudzums ir atkarīgs no komponentu proporcionālā satura kompozīcijās. Noskaidrots arī, ka ZnO klātbūtnē uzlabojas materiālu kvazistatiskās (elastības modulis un stiepes stiprība) un dinamiskās (krājumu modulis) elastiskās īpašības, kas izteiktāki novērojams amorfāko komponentu (t.i., EOK38 saturošajām) sistēmām.

Termoplastisku polimēru kompozītu īstermiņa un ilgtermiņa elastisko īpašību prognozēšana īstenota gan atkarībā no nanopildvielas struktūras hierarhijas pašas par sevi, gan nanopildvielas aglomerātu veidošanās tendences, gan nanopildvielas modificēšanas veida, gan nanopildvielas tilpumsatura polimēra matricā. Vienlaikus veikta slāņaino silikātu nanopildvielu saturošu polimēru kompozītu iegūšana un noteiktas to īstermiņa un ilgtermiņa elastiskās īpašības nolūkā validēt izstrādāto prognozēšanas pieeju.

Izstrādāts eksfoliētas un neeksfoliētas daļiņas saturoša polimēra kompozīta elastības konstanču aprēķina algoritms, daudzfāžu sistēmas struktūras raksturošanai ieviešot eksfoliācijas pakāpi. Pakāpeniskais aprēķinu algoritms pielāgots, lai īstenotu elastisko konstanču aprēķinu trīsfāžu kompozītam, kas sastāv no polimēra matricas, pilnīgi eksfoliētām nanostrukturētām plākšņveida daļiņām un neeksfoliētām slāņainām mikroizmēra daļiņām. Teorētiskā analīze veikta balstoties uz Mori-Tanakas teoriju ekvivalentai videi. Pētīta un analizēta eksfoliācijas pakāpes (eksfoliētās pildvielas daļas attiecība pret kopējo pildvielas saturu kompozītā) ietekme uz trīsfāžu sistēmas stiegrošanas/armēšanas efektivitāti. Noskaidrots, ka palielinoties slāņaino nanodaļiņu koncentrācijai polimēra matricā, prognozējams nankompozīta elastības moduļa lineārs pieaugums, pie kam augstākas moduļa vērtības novērojamas pie augstākas eksfoliācijas pakāpes. Savukārt palielinoties slāņaino nanodaļiņu eksfoliācijas pakāpei, progonzējamas elastības moduļa nelineāras izmaiņas. Ir iespējams novērtēt kompozīta elastības moduļa pieauguma samazinājumu pateicoties daļiņu aglomerācijai, it īpaši pie lielākas pildvielas koncentrācijas polimēra matricā. Veikta izstrādātā elastības konstanču aprēķina algoritma validācija un konstatēts, ka piedāvātais modelis teicami aproksimē slāņainos silikātus saturošu polimēru kompozītu elastības moduļu izmaiņas atkarībā no nanopildvielas satura.

Aizsākta DSONC saturošu daudzkomponentu polimēru matricas nanokompozītu analīze mikrospiedes režīmā. Plašā nanodaļiņu sastāva diapazonā (0,5 – 15. m. %) izvērtēta gan nemodificētu, gan modificētu DSONC ietekme uz dažāda daudzuma oktēna grupu satura (17% un 38%) EOK matricu mikrošļūdes īpašībām. Vienlaicīgi analizēta arī radiācijas modificēšanas ietekme uz EOK matricas nanokompozītu mikrošļūdes īpašībām. Šobrīd iegūtie rezultāti liecina, ka pieaugot nemodificētu DSONC saturam EOK nanokompozītu mikrošļūde palielinās līdzīgi kā iepriekšējos posmos pētīto slāņaino nanopildvielu saturošo daudzkomponentu sistēmu gadījumā, kas varētu būt saistīts ar nepietiekamo adhēziju starp nanopildvielu un polimēra matricu. Sekojoši konstatēts, ka būtu lietderīgi veikt detalizētāku mikrošļudes procesa matemātisko analīzi salīdzinājumā ar makrošļūdi, nolūkā izstrādāt mikrošļudes prognozēšanas algoritmu DSONC saturošās sistēmās atkarībā no sarežģītās nanodaļiņu struktūras hierarhijas, kā arī to disperģējamības pakāpes kompozīta virsmas slānī.

Saskaņā ar projekta 3. posma uzdevumiem izveidots zinātniskais raksts I. Reinholds, Zh. Roja, J. Zicāns, R. Merijs Meri, G. Vugule, J. Gabrusenoks, G. Kizane “Improvement of dielectric and mechanical properties of ethylene-octene copolymer by multi-walled carbon nanotubes with poly(2,2’-bitiophene)”, kurā raksturotas ar poli(2,2’-bitiofēnu funkcionalizētās oglekļa nanocaurulītes (PBT-ONC) un to pielietojums EOK mehānisko un elektrisko īpašību uzlabošanai. Noteikts, ka EOK termoplastiskajiem kompozītiem ar funkcionalizēto pildvielu, palielinot tās saturu līdz 10 masas % elastības modulis palielinās līdz pat 2 reizēm. Funkcionalizējot oglekļa nanopildvielu ar PBT-ONC, uzlabojas ONC dispersija EOK matricā, par ko liecina gan elektronu mikroskopijas uzņēmumi, gan vienlaicīgi augstas stiepes robežsprieguma un trūkšanas pagarinājuma vērtības pat pie augsta pildvielas satura (10 m.%), kuras ir attiecīgi 2,5 un 3,5 augstākas, salīdzinot ar nemodificētu oglekļa nanopildvielu, kur ONC aglomerizācija veicina deformatīvo īpašību samazināšanos. ONC funkcionalizēšana ar tiofēna atvasinājumu grupām izraisa būtisku elektrovadītspējas pieaugumu par vairāk nekā 2 kārtām: EOK nanokompozīcijai ar PBT-ONC pildvielu saturu 10 m.%. elektrovadītspēja pieaug līdz 1.4×10^-4 S/cm, kur EOK/ONC gadījumā pie šāda pildvielas satura tā sasniedz tikai 5.0×10^-7 S/cm. Pamatojoties uz šiem rezultātiem. Projekta 4. posmā plānots turpināt pētījumus elektrovadošu tiofēna grupu (PEDOT) saturošu ONC nanopildvielu izpētei, lai iegūtu uzlabotas elektrovadošas termoplastiskās un elastomēru kompozīcijas.

Ievērojot, ka no ekspluatācijas īpašību izvērtēšanas un struktūras raksturošanas aspektiem, būtiski ir novērtēt materiālu īpašības gan pie pazeminātām, gan paaugstinātām temperatūras vērtībām, 3. posma ietvaros veikti oglekļa nanopildvielu saturošu EOK kompozītu elastisko, viskozi-elastisko un deformatīvo īpašību pētījumi stiepē gan pie istabas, gan paaugstinātām temperatūrām (25-100^oC). Noteikts, ka, izmantojot izstrādāto kompozītmateriālu izgatavošanas metodiku, oglekļa nanodaļiņu pievienošanas rezultātā EOK17 kompozīciju elastības modulis un stiprība pie paaugstinātām temperatūrām ievērojami pieaug (piemēram, pie 50^oC temperatūras elastības modulis un stiprība attiecīgi pieaug 2,2 reizes 1,4 reizes). Pieaug arī līdz 300 kGy absorbētajai radiācijas dozai modificēto kompozīciju elastības modulis un stiprība. Iegūtās EOK17 matricas kompozīcijas, it īpaši ar jonu šķidrumiem modificēto nanocaurulīšu klātbūtnē, raksturo salīdzinoši augstas relatīvā sagraušanas pagarinājuma vērtības. Jāatzīmē, ka arī šķērssaistītām EOK17/ONC kompozīcijām saglabājas augsti sagraušanas deformāciju rādītāji pildvielas satura diapazonā līdz 5 m.%, kas nosaka šo kompozīciju piemērotību orientētu struktūru iegūšanai termonosēdelementos izmantojamiem kompozītmateriāliem.

3. posmā iegūti arī rezultāti par radiācijas ceļā šķērssaistītu atšķirīgus daudzumus oktēna grupu saturošu EOK (17 un 38%) kompozītu ar DSONC īpašībām, pielietojot augstas enerģijas jonizējošo starojumu. Konstatēts, ka DSONC klātbūtnē ievērojami samazinās jonizējošā starojuma ierosinātā polimēra oksidēšanās pakāpe uz ko norāda karbonila indeksa samazināšanās (efektīvais DSONC daudzums 5 m. %). Vienlaicīgi DSONC klātbūtnē būtiski palielinās radiācijas modificēto kompozīciju transvinilidēna indekss, kas norāda uz šķērssaistīšanās pakāpes pieaugumu. Sekojoši DSONC klātbūtnē pieaug kompozīciju gel-frakcija uz DSONC struktūras izmaiņu rēķina, DSONC veido «tiltiņus» starp atsevišķām polimēra makromolekulām. Rezultātā radiācijas modificēšanas ietekmē pieaug kompozīciju elastības modulis un tecēšanas spriegums, bet samazinās sagraušanas deformācija.

Noteikts, ka gēlfrakcijas saturs termoplastiskajām EOK-ONC kompozīcijām korelē ar nosēdspēku (termosarukuma sprieguma) vērtību pieaugumu līdz optimālajam pildvielas saturam 5 m.%. Piemēram, pie šī DSONC satura līdz 150 kGy absorbētajai dozai apstarotām EOK17 nanokompozīcijām termosarukuma sprieguma vērtības palielinās līdz pat 35%. Paliekošo nosēdspreigumu vērtības kompozīcijām palielinās par 14%, salīdzinot ar 100% EOK, kas liecina, par nanokompozītu uzlabotām termonosēdīpašībām. Novērtējot EOK17/ONC kompozīcijas ar nanopildvielas saturu virs 5 m.%, secināts, ka pildvielas ieslēgumi traucē makromolekulu kustīgumu, kas saistīts ar nanopildvielas ieslēgumu pieaugumu augsti šķērssaistītajā fāžu robežvirsmā. Būtu vēlams iegūt termonosēdmateriālus, samazinot absorbēto dozu <150 kGy, ko plānots pārbaudīt 4. posma ietvaros.

Pielietojot dielektriskās spektroskopijas metodi, novērtēts kā jonizējošā starojuma dozas palielināšana līdz 150 un 300 kGy ietekmē atšķirīgu EOK polimēru matricu (oktēna saturs 17 un 38 %) dielektriskās īpašības (dielektriskā konstante, dielektrisko zudumu koeficients – tand un elektrovadītspēja), palielinoties pildvielas saturam no 0 līdz 15 m.%. Noteikts, ka EOK38 un EOK17 šie īpašību rādītāji ir atšķirīgi pie līdzīga pildvielu satura. EOK38/DSONC kompozīcijām dielektrisko īpašību rādītāji pie 150 kGy saglabājas līdzīgi kā neapstarotām, kompozīcijām, taču, absorbētajai dozai pieaugot līdz 300 kGy, tand vērtības samazinās, palielinoties pildvielas saturam > 5 m.%, kas liecina par nanopildvielas ietekmi uz saišu kustīgumu un materiāla polarizāciju, kā rezultātā arī samazinās līdz >20 reizēm kompozīciju elektrovadītspēja. Vienlaikus secināts, ka, pieaugot pildvielas saturam līdz 5 m.% šķērssaistītām EOK17/ONC kompozīcijām dielektriskās konstantes vērtības samazinās, ko ietekmē pildvielas iesaiste šķērssaistītajā struktūrā, par ko liecina gelfrakcijas izmaiņas un infrasarkano spektru trans vinilidēn grupu izmaiņas. Konstatēts, ka maksimālais elektrovadītspējas pieaugums (>40 reizes – no 4.5×10^-7 S/cm līdz 2.2×10^-5 S/cm) ir līdz 300 kGy absorbētajai dozai apstarotai EOK17/ONC kompozīcijai ar pildvielas saturu 5 m.%. Var secināt, ka EOK makromolekulu struktūra (galvenās etilgrupu ķēdes un heksilatzarojumu grupu sastāvs, ir tas kas ietekmē EOK kristāliskumu un ONC izkliedi matrica) būtiski ietekmē dielektrisko īpašību kopumu ONC nanokompozītiem. Secināts, ka nepieciešams veikt turpmākus pētījumus plašākā zemo jonizējošā starojuma dozu diapazonā (50-100kGy), lai izvērtētu ONC pildvielu ietekmi uz šķērssaistītu EOK/ONC nanokompozītu dielektriskajām īpašībām ar mērķi iegūt elektrovadošas kompozītu sistēmas viedajām tehnoloģijām.

Projekta 3. posma ietvaros izstrādāta arī metodika un iekārtu komplekts ar ultravioleta (UV) starojumu vulkanizētu orientētu nanodaļiņu kompozītu ieguvei. Nanodaļiņu orientēšanai ar līdzstrāvu izmantots Keithley 6487 pikoampērmetrs, kas sniedz iespēju arī reģistrēt paraugam caurplūstošās strāvas stiprumu, tādejādi sniedzot informāciju par elektrovadošo nanodaļiņu orientēšanās procesa norisi pieliktā sprieguma virzienā. Papildus tam, orientēšanas laikā veikta paraugu vizuāla novērtēšana izmantojot Motic optisko mikroskopu. Izgatavoti nanostrukturēti kompozīti, kuros kā matrica izmantota fotopolimērs Allnex Abecryl LED 02 un pildviela nanostrukturēti oglekļa kvēpi Printex XE2. Pirms UV apstarošanas ārēja elektriskā lauka ietekmē šādiem kompozītiem novērota elektrovadošo daļiņu orientēšanās lauka virzienā, kas ievērojami samazina paraugu elektrisko pretestību pieliktā lauka virzienā. Novērots, ka apstarojot ar UV starojumu šādi orientētus kompozītus, iegūtā struktūra tiek saglabāta un pie vienādām pildvielu koncentrācijām 500 V sprieguma iedarbībā orientētu paraugu elektriskā pretestība var samazināties pat par 5 kārtām. Salīdzinājumam, palielinot kompozīta pildvielas koncentrāciju 2 reizes (bez ārējā elektriskā lauka), pretestība samazinās tikai par 3 kārtām. Izdevies izgatavot orientētus paraugus ar koncentrācijām līdz 0,15 wt% elektrovadošās pildvielas – pie augstākam koncentrācijām elektrovadošā pildviela absorbē vulkanizācijai nepieciešamo UV starojumu kā rezultātā parauga tilpumā vulkanizācija nenotiek.

Svarīgākie izanalizētie pētījumu rezultāti par nanodaļiņu orientēšanos elektriskajā laukā apkopoti rakstā M.Knite, A.Linarts, K.Ozols, V.Tupureina, I.Stalte, L.Lapcinskis, A study of electric field induced conductive aligned network formation in high structure carbon black/silicone oil nanofluids, kas publicēta zinātniskjā žurnālā “Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects”, kura SNIP>1.

3. posma ietvaros iegūti arī polimēra/reducēta grafēna kompozīti un pētītas to īpašības. Kompozīti iegūti izmantojot iepriekš izstrādāto metodi, kurā ķīmiski reducētās nanodaļiņas tiek iejauktas polimēra hloroforma šķīdumā. Tālāk maisījums tiek valcēts un presēts cilindriskos paraugos ar misiņa elektrodiem. Konstatēts līdz šim nenovērots efekts – kompozīta elektriskās pretestības samazināšanās atkarībā no pieliktā līdzstrāvas sprieguma, ja sprieguma vērtība pārsniedz 150V. Veicot mērījumus ar Keithley 6487 pikoampērmetru tika noteikta paraugu pretestība atkarībā no pieliktā sprieguma no 50 līdz 500 V ar soli 2,5 V/sekundē. Novērots izteikts pjezorezistīvais efekts, ja kompozīta paraugam pielikts nobīdes spriegums 500V. Mērījumi tika veikti pie konstanta sprieguma uz parauga uzliekot dažādas masas atsvarus un izturot konkrēto mehānisko slodzi 5 sekundes. Noteikti pjezorezistivitātes efekta parametri. Paraugi uzrāda ievērojami lielu relatīvās elektriskās pretestības izmaiņu (~175%), kas ir gandrīz 2 reizes lielāka, nekā labākais rezultāts šāda veida paraugiem, izmantojot cita veida nanodaļiņas.

Projekta 3. posma ietvaros ir sākts darbs pie nanokompozītu raksturošanas metodes izstrādes, izmantojot atomspēku mikroskopu elektrovadošajā režīmā (EC-AFM). Metodes būtība ir caurejošo elektrovadošo kanālu kartēšana, ar EC-AFM mērot caurplūstošās strāvas stiprumu. Turpmāk ir plānots sasaistīt iegūtos elektrovadošo kanālu AFM kartēšanas datus ar paraugu uzrādītajiem efektiem pjezorezistivitātes jomā.

Lai pētītu enerģijas pārveidošanas procesus mehāniski slogojot kondensatorus ar nanostrukturēto polimerkompozītu, tika izstrādāta kontrolētās uzlādes un izlādes metodika, kas var tikt pielietota kondensatoriem ar kapacitāti no 1 nF. Metodika bāzējas uz sprieguma dalītāja shēmu ar vienlaicīgu divu parametru noteikšanu: sprieguma mērīšanu starp pētāmā kondensatora klājumiem (ļauj aprēķināt kondensatorā uzkrātās/atlikušās elektriskās enerģijas daudzumu) un strāvas mērīšanu virknē pieslēgtā rezistorā (ļauj novērtēt izlādes dinamiku vai noplūdes strāvu). Metodika ļauj noteikt vairākus parametrus: uzlādes/izlādes laika konstanti un kondensatora kapacitāti, noplūdes strāvas stiprumu, fāžu nobīdes leņķi un shēmas labumu, kā arī aprēķināt kondensatora uzkratās vai atlikušās enerģijas daudzumu. Slēgumam, atkarībā no nosakāmā parametra ir jāpievada dažāda veida sprieguma impulsi: izlādes/izlādes dinamikas uzņemšanai un noplūdes strāvas noteikšanai - taisnstūra sprieguma impulsi; fāžu nobīdes leņķa noteikšanai – harmoniski mainīgs spriegums. Spriegums uz strāvas šunta tiek noteikts uzreiz pēc kondensatora uzlādes un pēc sprieguma līmeņa stabilizācijas.

Izgatavoti poliizoprēna kompozītu paraugi, kuriem par pildvielu izmantoti DSONC un reducēts grafēna oksīds (RGO) un iegūtie rezultāti salīdzināti ar iepriekš iegūto paraugu rezultātiem. Poliizoprēna matricas kompozītu paraugiem ar dažādām elektrovadošām pildvielām un dažādām koncentrācijām izpētīts pjezokapacitatīvais (sekojoši, arī pjezopermitīvais) efekts frekvenču diapazonā no 20 Hz līdz 2 MHz.

Papildus pjezopermitīvajam efektam AC režīmā tika izpētīts arī pjezovadāmības efekts. Poliizoprēna (PI) kompozīta paraugs ar 10 m.d. DSONC uzrādīja vidēji lielu pjezopermitīvo efektu (DC = 3.5% pie f = 500 Hz, Dp = 183 kPa). PI kompozīta paraugs ar 10 m.d. RGO uzrādīja specifisku, polaritāti mainošu pjezopermitīvo efektu, kas mainīja zīmi 1 kHz frekvences rajonā (Dp = 183 kPa). Atšķirībā no iepriekš mērītajiem paraugiem, RGO saturošā parauga pjezopermitīvais efekts savu maksimumu sasniedza pie augstākās mērītās frekvences (2 MHz). Pjezopermitīvā efekta lielums sasniedza 3.4%, kas praktiski sakrīt ar to, ko uzrādīja PI/DSONC paraugs.

PI/DSONC (10 m.d. DSONC) un PI/RGO (10 m.d. RGO) paraugi uzrāda arī izteiktu pjezovadāmības efektu: paraugu vadāmība spiediena ietekmē strauji samazinās, kas liecina par elektrovadošā tīkla pārkonfigurāciju, kurā dominējošo ietekmi atstāj attāluma pieaugums starp elektrovadošo tīklu veidojošiem posmiem. Pie Dp = 183 kPa un f = 200 Hz PI/DSONC paraugam pjezovadāmības efekta lielums sasniedz 6.5%, bet PI/RGO paraugam 28%. Iemesls tik ievērojamai pjezovadāmības efekta lieluma atšķirībai varētu būt tas, ka PI/DSONC paraugam pildvielas koncentrācija atrodas perkolācijas pārejas augšgalā, bet PI/RGO paraugiem tā atrodas vēl pirms pašas perkolācijas pārejas. Minētā elektrovadošā tīkla pārkonfigurācija reizē ir arī pjezopermitīvā efekta cēlonis. Salīdzinot jaunākos iegūtos rezultātus ar iepriekšējā etapā iegūtajiem rezultātiem, jāsecina, ka vislielākais pjezopermitīvais efekts tomēr piemīt PI paraugam ar 4 m.d. augsti strukturētām oglekļa nanodaļiņām (13% pie Dp = 183 kPa), taču PI/RGO kompozītam ar 10 m.d. pildvielas ir par divām kārtām augstāka elektriskā pretestība, kas dod mazāku noplūdes strāvu.

Eksperimentāli tika arī pārbaudīts kādu iespaidu uz tīras poliizoprēna matricas tenzopermitīvo efektu atstāj ZnO daļiņu izmēra maiņa. Konstatēts, ka ZnO daļiņu nomaiņa no mikro- uz nano- izmēru būtiski neietekmē tenzopermitīvo efektu, kādu dod pati matrica.

2016. gadā projektā iegūtie rezultāti publicēti vairākos SCOPUS/Thomson Reuters datu bāzēs indeksētos žurnālos (11 publicētas, 4 iesniegtas publicēšanai, 1 sagatavota), kā arī par tiem ziņots vairākās starptautiskās konferencēs (7), t.sk., RTU 57. Starptautiskajā zinātniskajā konferencē Valsts pētījumu programmai IMIS2 veltītajā sekcijā 21. oktobrī. Šo konferenču rakstu krājumos publicēti arī atbilstošie prezentāciju materiāli (21). Par projekta tematiku tiek izstrādāti vairāki studentu kvalifikācijas darbi, t.sk, 5 disertācijas, 4 maģistra darbi (2016. gada pavasarī 3 maģistra darbi sekmīgi aizstāvēti) un 2 bakalaura darbi. Jāatzīmē, ka atsevišķi projekta ietvaros izstrādātie rezultāti izplatīti/popularizēti Eiropas Zinātnieku nakts pasākumu laikā 2016. gada 30. septembrī. 

Pilna teksta publikācijas:

M. Knite, A. Linarts, K. Ozols, V. Tupureina, I. Stalte, L. Lapcinskis, A study of electric field induced conductive aligned network formation in high structure carbon black/silicone oil nanofluids, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, publicēts “online” 21.12.2016., dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.12.032 žurnālā ar SNIP=1,059.

S. Stepina, A. Berzina, G. Sakale, M. Knite, BTEX detection with ethylene vinyl acetate nanostructured carbon composite, Beilstein Journal of Nanotechnology, SNIP=1,094 (iesniegts publicēšanai).

J. Zicāns, R. D. Maksimov, E. Plūme, R. Merijs Meri, J. Jansons, The effect of partial exfoliation of multilayer silicate filler particles on the elastic properties of a polymer composite, Composite Structures, SNIP=2,144 (iesniegts publicēšanai).

R. Merijs Meri, J. Zicans, A. Ābele, T. Ivanova, M. Kalniņš, K. Kundziņš Modification of polyoxymethylene for increased thermal resistance, Polymer Engineering and Science (iesniegts publicēšanai).

P. Lesnicenoks, L. Grinberga, L. Jekabsons, A. Antuzevičš, A. Berzina, M. Knite, G. Taurins, Š. Varnagiris, J. Kleperis, Nanostructured carbon materials for hydrogen energetics, Advanced Materials Letters, publicēts online 2016. g. 8. novembrī, DOI: 10.5185/amlett.2016.7088.

I. Reinholds, V. Kalkis, R. Merijs-Meri, J. Zicans, A. Grigalovica. Heat shrinkable behavior, physico-mechanical and structure properties of electron beam cross-linked blends of high-density polyethylene with acrylonitrile-butadiene rubber, Radiation Physics and Chemistry, Volume 120, March 01, 2016, 56-62 (sagatavots 2. posma ietvaros, publicēts 2016. g.).

M. Knite, K. Ozols, A. Fuith, I. Aulika, R. Orlovs, Photo-Thermal Electrical Resistance Response of Polyisoprene/Nanographite Composites, Polymer, Vol. 85, 2016, 55-60. (sagatavots 2. posma ietvaros, publicēts 2016. g.).

Roja, Ž., Reinholds, I., Zicāns, J., Merijs-Meri, R. Evaluation of Mechanical and Structure Properties of Electron Beam Cross-Linked Ethylene-Octene Copolymer Nanocomposites with Multi-Walled Carbon Nanotubes. Key Engineering Materials, Volume 721, 2017, 28.-32, Doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.721.28. (sagatavots 3. posma ietvaros, tiks publicēts 2017. g.).

J. Bitenieks, R. Merijs Meri, J. Zicans, M. Kalnins. Characterization of Polyvinyl Acetate/Multi Walled Carbon Nanotube Nanocomposites. Key Engineering Materials, Volume 721, 2017, 13-17, DOI 10.4028/www.scientific.net/KEM.721.13 (sagatavots 3. posma ietvaros, tiks publicēts 2017. g.).

I. Bochkov, R. Merijs Meri, G. Vugule, K. Korsaka-Mille and J. Zicans. Rheological properties of multi-component composites based on polymer-polymer matrix and nano-structured zinc oxide, Key Engineering Materials, Volume 721, 2017, 43-47, DOI 10.4028/www.scientific.net/KEM.721.13. (sagatavots 3. posma ietvaros, tiks publicēts 2017. g.).

A. Bernava, S. Reihmane, J. Bitenieks, M. Manins, The Nonwovens Properties Made from Hybrid Fibres, Key Engineering Materials, Volume 721, 2017, 53-57, DOI 10.4028/www.scientific.net/KEM.721.13. (sagatavots 3. posma ietvaros, tiks publicēts 2017. g.).

I. Reinholds, Zh. Roja, J. Zicāns, R. Merijs Meri, G. Vugule, J. Gabrusenoks, G. Kizane, Improvement of dielectric and mechanical properties of ethylene-octene copolymer by multi-walled carbon nanotubes functionalised with poly(2,2’-bitiophene), Polymer Composites, (sagatavots iesniegšanai).

R. Merijs Meri, J. Zicans, A. Abele, T. Ivanova, M. Kalnins. Characterization of thermal destruction behavior of hybrid composites based on polyoxymethylene, ethylene-octene copolymer impact modifier and ZnO nanofiller. AIP Conf. Proc. 1736, 020141, Naples, Italy, June 19–23, 2016, p.1.-4.; http://dx.doi.org/10.1063/1.4949716

R. Merijs Meri, J. Zicans, T. Ivanova, J. Bitenieks, I. Reinholds, A. Grigalovica, Zh. Roja. Elastic properties of UV irradiated polyethylene-octene copolymer composites with functionalized multi-walled carbon nanotubes. Integrated Ferroelectrics, Vol. 173, Issue 1, p. dx.doi.org/10.1080/10584587.2016.1187056 (sagatavots 2. posma ietvaros, publicēts 2016. g.).

T. Ivanova, R. Merijs Meri, J. Zicans, A. Grigalovica, Zh. Roja, I. Reinholds. Impact of non-functionalized and ionic liquid modified carbon nanotubes on mechanical and thermal properties of ethylene- octene copolymer nanocomposites. IOP Conf. Series:Materials Science and Engineering, Vol. 111, 2016 (sagatavots 2. posma ietvaros, publicēts 2016. g.)

A. Berzina , V. Tupureina, I. Klemenoks, M. Knite, A method for particle dispersion degree characterization in polyisoprene-carbon black nanocomposites using atomic force microscopy, Procedia Computer Science, (iesniegts).

Ž. Roja, J. Zicāns, R. Merijs-Meri, I. Reinholds, Application of Electron Beam Irradiation to Improve Structure and Physical Properties of Carbon Nanotube Elastomeric Composites, Proceedings of Materials Science & Applied Chemistry, MSAC 2016, 153.-157. lpp. Pieejams: https://conferences.rtu.lv/index.php/MSAC/MSAC2016/paper/viewFile/19/10

J. Zicāns, M. Knite, Ž. Roja, E. Plūme, R. Merijs Meri, T. Ivanova, J. Bitenieks, A. Bernava, V. Tupureina, J. Blūms, G. Šakale, A. Linarts, A. Vrubeļskis, I. Klemenoks, K. Ozols, S. Stepiņa, A. Bērziņa, R. Orlovs, V. Teteris, I. Stalte, I. Reinholds, J. Jansons, R. Maksimovs. National Research Programme IMIS² 3rd Project Nanocomposite Materials, Proceedings of Materials Science & Applied Chemistry, MSAC 2016, 218-221,

https://conferences.rtu.lv/public/conferences/1/schedConfs/1/program-en_US.pdf

J. Bitenieks, R. Merijs Meri, J. Zicāns, M. Kalniņš. Mechanical Properties of Polyethylene/Multi-Walled Carbon Nanotube Nanocomposite Proceedings of Materials Science & Applied Chemistry, MSAC 2016, 36.-39., https://conferences.rtu.lv/index.php/MSAC/MSAC2016/paper/viewFile/13/3

A. Kokins, I. Bochkov, J. Zicans, R. erijs Meri, T. Ivanova, J. Grabis, T.Reznika. Secondary polyprolylene based nanocomposites for engineering applications, Proceedings of Materials Science & Applied Chemistry, MSAC 2016, 108.-111., https://conferences.rtu.lv/index.php/MSAC/MSAC2016/paper/viewFile/59/32

P. Lesnicenoks, L. Grinberga, J. Kleperis, L. Jekabsons, G. Taurins, M. Knite. Carbon materials for hydrogen storage and sensing Proceedings of Materials Science & Applied Chemistry, MSAC 2016, 112.-116., https://conferences.rtu.lv/index.php/MSAC/MSAC2016/paper/viewFile/69/38

Starptautisko konferenču tēzes:

Ž. Roja, I. Reinholds, J. Zicāns, R. Merijs-Meri, Electron Beam Cross-Linking of Ethylene-Octene Copolymer Nanocomposites with Multi-Walled Carbon Nanotubes to Improve their Temperature Dependence of Mechanical and Thermosetting Properties. The 25th International Baltic conference of Engeneering Materials & Tribology Baltmattrib 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 3.-4. novembris, 2016. Riga: RTU Digital Print Center, 2016, 75, ISBN 978-9934-19-029-2.

J. Bitenieks, R. Merijs Meri, J. Zicans, M. Kalnins. Characterization of Polyvinyl Acetate/Multi Walled Carbon Nanotube Nanocomposites. The 25th International Baltic conference of Engeneering Materials & Tribology Baltmattrib 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 3.-4. novembris, 2016. Riga: RTU Digital Print Center, 2016, 78, ISBN 978-9934-19-029-2.

I. Bochkov, R. Merijs Meri, G. Vugule, K. Korsaka-Mille and J. Zicans. Rheological properties of multi-component composites based on polymer-polymer matrix and nano-structured zinc oxide, The 25th International Baltic conference of Engeneering Materials & Tribology Baltmattrib 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 3.-4. novembris, 2016. Riga: RTU Digital Print Center, 2016, 75, ISBN 978-9934-19-029-2.

A. Bernava, S. Reihmane, J. Bitenieks, M. Manins, The Nonwovens Properties Made from Hybrid Fibres, The 25th International Baltic conference of Engeneering Materials & Tribology Baltmattrib 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 3.-4. novembris, 2016. Riga: RTU Digital Print Center, 2016, 71, ISBN 978-9934-19-029-2.

R. Kovaldins, I. Reinholds, G. Ķizāne, J. Zicāns, J. Gabrusenoks, Radiācijķīmiski šķērssaistītu daudzslāņu oglekļa nanocaurulīšu - poliolefīnu nanokompozīciju struktūras izpēte un mehānisko īpašību novērtējums. Abstracts of the 32nd Scientific Conference, Latvija, Riga, 17.-19. februāris, 2016. Riga: 2016, 56.-56.lpp.

I. Reinholds, Ž. Roja, J. Zicāns, R. Merijs-Meri, Application of electron beam irradiation to improve structure and physical properties of carbon nanotube elastomeric composites. The Riga Technical University 57th International Scientific Conference "Materials Science and Applied Chemistry" 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 21.-4. oktobris, 2016. P-39.

J. Zicāns, M. Knite, Ž. Roja, E. Plūme, R. Merijs Meri, T. Ivanova, J. Bitenieks, A. Bernava, V. Tupureina, J. Blūms, G. Šakale, A. Linarts, A. Vrubeļskis, I. Klemenoks, K. Ozols, S. Stepiņa, A. Bērziņa, R. Orlovs, V. Teteris, I. Stalte, I. Reinholds, J. Jansons, R. Maksimovs. National Research Programme IMIS2 3rd Project Nanocomposite Materials, The Riga Technical University 57th International Scientific Conference "Materials Science and Applied Chemistry" 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 21.-4. oktobris, 2016.

J. Bitenieks, R. Merijs Meri, J. Zicāns, M. Kalniņš. Mechanical Properties of Polyethylene/Multi-Walled Carbon Nanotube Nanocomposite The Riga Technical University 57th International Scientific Conference "Materials Science and Applied Chemistry" 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 21.-4. oktobris, 2016. P-19.

A. Kokins, I. Bochkov, J. Zicans, R. erijs Meri, T. Ivanova, J. Grabis, T.Reznika. Secondary polyprolylene based nanocomposites for engineering applications, The Riga Technical University 57th International Scientific Conference "Materials Science and Applied Chemistry" 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 21.-4. oktobris, 2016. P-21.

P. Lesnicenoks, L. Grinberga, J. Kleperis, L. Jekabsons, G. Taurins, M. Knite. Carbon materials for hydrogen storage and sensing The Riga Technical University 57th International Scientific Conference "Materials Science and Applied Chemistry" 2016: Abstract Book, Latvija, Riga, 21.-4. oktobris, 2016. P-1.

J.Blums, K.Ozols, M.Knite, Polymer/nanostructured carbon composites with stress dependent dielectric permittivity for electrostatic energy harvesters Abstracts of EMRS Spring meeting 2016, May 2-6, 2016, Lille, France, X PII.19.

S. Stepina, G. Sakale, M. Knite, Benzene and its derivatives detection with ethylene vinyl acetate – nanostructured carbon composite, Abstracts of EMRS Spring meeting 2016, May 2-6, 2016, Lille, France, X.PI.42

M. Knite, V. Tupureina, A. Linarts, K. Ozols, I. Stalte, The study of electric field induced conductive grid structuration in silicone oil/ carbon nanofluids, Abstracts of 6th International Colloids Conference, 19–22 June 2016, Germany, Berlin, p 195.

J. Blums, K. Ozols, M. Knite, Application of Polymer/Nanostructured Carbon Composites for Electrostatic Energy Harvesters, University of Latvia, Institute of Solid State Physics, Abstracts of the 32nd Scientific Conference, Latvia, Riga, February 17-19, 2016, p 111.

M. Knite, V. Tupureina, I. Stalte, K. Ozols, A. Linarts, R. Orlovs, Influence of Electrostatic Field on Carbon Nanoparticle Suspension Conductivity, University of Latvia, Institute of Solid State Physics, Abstracts of the 32nd Scientific Conference, Latvia, Riga, February 17-19, 2016, p 133.

R. Merijs Meri, J. Zicans, T. Ivanova, R. Saldabola, I. Reinholds, M. Feldmann, H.P. Heim, Modification of carbon nanofillers, development and characterization of thermoplastic polyolefine elastomer nanocomposites. Abstracts of the 3rd International Conference on Bioinspired and Biobased Chemistry & Materials, October 16.-19., 2016, Nice, France, 223.

J. Bitenieks, J. Zicans, R. Merijs Meri, T. Ivanova, M. Kalnins, P. Kuzhir, S. Maksimenko. Manufacturing of multi-walled carbon nanotubes containing polymer nanocomposites via latex based approach and their structural, electrical and mechanical characteristics Abstracts of the 3rd International Conference on Bioinspired and Biobased Chemistry & Materials, October 16.-19., 2016, Nice, France, 320.

J. Bitenieks, R. Merijs Meri, J. Zicans, M. Kalnins. Mechanical and electrical characteristics of polyethylene/carbon nanotube nanocomposite. Book of Abstracts of the 16th International Conference Baltic Bolymer Symposium 2016, Klaipeda, Lithuania, September 21-24, 2016, p. 32.

G. Vugule, A. Kokins, I. Bochkov, T. Ivanova, R. Merijs Meri, J. Zicans. Recycled polypropylene for development of polymer nanocomposites with ZnO. Book of Abstracts of the 16th International Conference Baltic Bolymer Symposium 2016, Klaipeda, Lithuania, September 21-24, 2016, p. 104.

K. Korsaka-Mille, R. Merijs Meri, J. Zicans, T. Ivanova, I. Reinholds, Zh. Roja. Mechanical and Thermosetting Properties of Electron Beam Cross-Linked Ethylene-Octene Copolymer Nanocomposites with Multi-Walled Carbon Nanotubes. Book of Abstracts of the 16th International Conference Baltic Bolymer Symposium 2016, Klaipeda, Lithuania, September 21-24, 2016, p. 103.

J. Zicans, R. Merijs Meri, T. Ivanova, A. Abele, M. Kalnins, J. Grabis, Maksimovs. Structural, mechanical and thermal characerization of polyoxymethylene based nanocomposites with zinc oxide. Book of Abstracts of the 19th International Conference on Composite Structures ICCS19, Porto, Portugal, September 5.-8., 2016, p. 20; DOI 10.15651/978-88-748-8977-8, ISSN 2421-2822, ISBN 9788874889778

Doktora darbu izstrāde:

Uzsākts darbs pie Rūtas Saldābolas distertācijas izstrādes, «Modificētu hibrīdkompozītu izveide 3D printēšanai» (Zin. vad. J. Zicāns, R. Merijs Meri).

Tiek izstrādāta Pērtera Lesničenoka disertācija «Ūdeņraža un cietas vielas mijiedarbības izpēte jauniem materiāliem ūdeņraža uzglabāšanai un detektēšanai» (Zin. vad. J. Kleperis, M. Knite)

Tiek izstrādāta Santas Stepiņas disertācija «Inovatīvi hibrīdie polimēru nanokompozīti ķīmisko vielu sensoriem» (Zin. vad. M. Knite).

Tiek apkopoti rezultāti Jura Bitenieka disertācijas virzīšanai uz aizstāvēšanu 2017. gadā «Oglekļa nanocaurulītes (ONC) saturoši termoplastiski polimēru kompozīti», (Zin. vad. M. Kalniņš, J. Zicāns).

Tiek apkopoti rezultāti Kaspara Ozola disertācijas virzīšanai uz aizstāvēšanu 2017. gadā «Polimēra/neorganisku nanodaļiņu kompozītu elektriskās un optiskās īpašības», (Zin. vad. M. Knite).

Maģistra darbu izstrāde:

Elza Dilbeka “Termoplastikās cietes nanokompozītu ar slāņaino silikātu nanopildvielām mehāniskās un barjeras īpašības” / “Mechanical and thermal properties of thermoplastic starch nanocomposites with layered silicate nanofillers”, aizstāvēts 2016.g. (Zin. vad. R. Merijs Meri)

Edvards Saušs “Etilēna-oktēna kopolimēra dinamiski šķērssaistīto nanokompozītu ar slāņainajiem silikātiem iegūšana un īpašību raksturojums” / “Manufacturing and characterization of properties of dynamically cross-linked ethylene-octene copolymer nanocomposites with layered silicate nanofiller”, aizstāvēts 2016.g. (Zin. vad. R. Merijs Meri)

Astrīda Bērziņa “Elektrovadošas nanopildvielas daļiņu izkliedes pētījumi elastomēra kompozītos ar atomspēku mikroskopu” /“Investigation of dispersion of electroconductive nanofiller particles in elastomer composites with atomic force microscope”, aizstāvēts 2016.g. (Zin. vad. M. Knite).

Bakalaura darbu izstrāde:

Inta Stalte “Elektrostatiskā lauka inducēta dinamiskā perkolācija silikona eļļas un oglekļa nanodaļiņu agregātu suspensijā” / “Electrostatic field induced dynamic percolation in silicone oil and carbon nanoparticle aggregate suspension”, aizstāvēts 2016.g. (Zin. vadītājs M. Knite)

4. studiju gada bakalaurante Guna Vugule (Zin. vadītāji J. Zicāns, R. Merijs Meri)