Nr. Darba uzdevumi Galvenie rezultāti
1. Veikt pētījumus par videi draudzīgiem/ biodegradabliem daudzfunkcionāliem polimēru nanokompozītiem, iegūt pirmos paraugus un raksturot iegūto nanokompozītu atsevišķas struktūras, barjeras un mehāniskās īpašības.

Projekta 1. posmā veikti pētījumi par biodegradabu polimēru (termoplastiskā ciete) nanokompozītu ar slāņainajiem silikātiem  (montmorillonīta māliem MMT) iegūšanu.  Izvērtēta jonu šķidrumu (JŠ) piemērotība gan polimera matricas plastificēšanai, gan MMT modificēšanai. Konstatēts, ka jonu šķidrums sekmīgi izmantojams gan termoplastiskās cietes plastificēšanai, gan MMT modificēšanai par ko liecināja mālu starpplākšņu attāluma palielināšanās, kas nodrošināja labāku nanodaļiņu disperģēšanos polimēra matricā un līdz ar to arī samazinātu caurlaidību un difūzijas koeficientu (vairāk nekā 2 reizes), kā arī paaugstinātu elastības moduli (vairāk nekā 2 reizes) un mehānisko stiprību.

Pētījumu gaitā izveidota eksperimentālo rezultātu datu kopa par biodegradablu polimēru nanokompozītu ar slāņainajiem silikātiem struktūru un izvēlētām ekspluatācijas īpašībām, kā arī sagatavots materiāls dalībai starptautiskā konferencē.
2. Veikt pētījumus par modificētu oglekļa nanopildvielu struktūras un atsevišķu īpašību (termisko, elektrisko/dielektrisko) raksturošanu  nolūkā uzlabot to savietojamību ar termoplastisku polimēru matricu. 

Veikti pētījumi par modificētu oglekļa nanopildvielu (grafīta, grafēna oksīda, reducētā grafēna oksīda, funkcionalizētā grafēna oksīda) struktūru/starpplākšņu attālumu, elektriskajām/dielektriskajām un termiskajām īpašībām. Konstatēts, ka grafēna oksīda modificēšanas rezultātā notiek būtiska termiskās izturības palielināšanās, kura pieaug, palielinoties modifikatora saturam.

Izvērtēta arī oglekļa nanopildvielas ietekme uz polivinilspirta nanokompozītu dinamiskajām īpašībām plašā temperatūru diapazonā un konstatēta būtiska elastības moduļa palielināšanās (1,5 reizes), pieaugot nanopildvielas saturam, kas notikusi uz nanokompozīta stiklošanās temperatūras palielināšanās rēķina. Jāatzīmē, ka vienlaicīgi novērota nanokompozītu elektrisko īpašību palielināšanās, pieaugot nanopildvielas saturam.

Par sasniegtajiem rezultātiem ziņots starptautiskā konferencē, kā arī konferenču tēžu krājumā publicētas tēzes.
3.

Aizsākt  pētījumus par polimēru kompozītmateriālu izstrādi  uz nolietoto polimēru materiālu bāzes sadarbībā ar Latvijas ražotājiem, iegūt pirmos paraugus un sākt izvērtēt to īpašības nolūkā rast pielietojumu filtrelementu izstrādei.

Aizsākti pētījumi par polimēru kompozītmateriālu izstrādi uz nolietoto materiālu bāzes sadarbībā ar Latvijas ražotājiem. Izmantojot kaņepāju šķiedru atgājas, otrreizējās polipropilēna šķiedras un otrreizējās polietilēntereftalāta štāpeļšķiedras izstrādātas videi draudzīgas kompozīcijas filtrācijas materiālam meliorācijā.  Veikti pētījumi par dažāda biezuma neaustu hibrīdšķiedru klājumu iegūšanu, izmantojot atbilstošas šķiedru priekšapstrādes un kāršanas tehnoloģijas/metodes. Izvērtētas šķiedras saturoša daudzslāņu hibrīdkompozīta iegūšanas iespējas, izmantojot piemērotu termiskās pārstrādes  tehnoloģiju. Noteikti hibrīdšķiedru klājumu iegūšanas atsevišķi tehnoloģiskie parametri: temperatūra, spiediens un cikla laiks. Sākts darbs pie kompozītu mehānisko īpašību noteikšanas atkarībā no slogošanas virziena, kā arī ūdens un gaisa barjeras īpašību noteikšanas, dodot iespēju sākt veidot datu bāzi par šāda tika kompozītmateriālu ekspluatācijas īpašībām. Par pētījumu rezultātiem sagatavots arī materiāls starptautiskajai konferencei.

4. Veikt pētījumus par reciklējamu daudzkomponentu polimēru nanokompozītu morfoloģiju.

Veikti pētījumi par reciklējamu termoplastisku polioksimetilēna (POM) kompozītu ar etilēna-oktēna kopolimēru (EOK) un nanostrukturētu cinka oksīda (ZnO) pildvielu morfoloģijas pētījumi plašā izejas komponentu proporcionālo attiecību diapazonā. Konstatēts, ka polimērkompozīcijas raksturo heterogēna struktūra, kurā dispersā fāze matricā izkliedēta sfērisku daļiņu veidā, kuru gludā virsma un esošā sprauga starp ieslēgumu un matricu liecina par samērā vājiem adhezīviem spēkiem starp komponentēm. Fāžu pārejas kompozīcijās novēroti tukšumi, kas ievērojami samazina kontaktvirsmas laukumu.

ZnO saturošo daudzkomponentu sistēmu morfoloģija liecina, ka nanodaļiņas labi disperģējušās gan izejas komponentu, gan bināru polimēru kompozītu matricās. 
5. Izstrādāt metodi, izgatavot inovatīvus polimēru nanokompozītus, kuriem piemīt pjezopermitivitātes efekts (dielektriskās caurlaidības ievērojamas izmaiņas mehāniskā spiediena ietekmē), kā arī izpētīt šo materiālu dielektriskās un mehano/ dielektriskās īpašības.

Izstrādāta oriģināla elastomēra/oglekļa nanokompozītu paraugu izgatavošanas metode, vulkanizējot paraugus autoklāvā neitrālas gāzes atmosfērā dažādās konstantās temperatūrās. Izgatavoti elastomēra /oglekļa nanodaļiņu kompozīta paraugi, kuriem konstatēts pjezopermitivitātes efekts. Pētītas mehanoelektriskās īpašības spiedes spēka režīmā.

Pētījumu rezultāti publicēti SCOPUS/Thomson Reuters indeksējamā žurnālā, kā arī par tiem ziņots starptautiskā konferencē.
6. Optimizēt metodi grafēna iegūšanai no grafīta izejvielām, kas balstīta uz oksidēšanas un reducēšanas procesiem.

Pēc modificētas Hummera metodes termiski eksfoliētais grafīts (TEG) tika oksidēts sērskābā vidē ar kālija permanganātu un nātrija nitrātu. Iegūtais TEG oksīds pēcāk tika reducēts, izmantojot nātrija borhidrīdu kobalta hlorīda klātbūtnē, tādejādi iegūstot reducētu TEG oksīdu. Rezultātā, no TEG ir iegūtas elektro-vadošas nanodaļiņas, kuru elektriskā pretestība ir par kārtu zemāka nekā no komerciāli pieejama grafēna oksīda (GO) iegūtais produkts.

Pētījumu rezultāti publicēti SCOPUS/Thomson Reuters indeksējamā žurnālā, kā arī starptautisku konferenču rakstu krājumos. Par pētījumu rezultātiem ziņots arī starptautiskās konferencēs.
7. Izstrādāt metodi polimēra un orientētu 1D nanodaļiņu kompozītu ieguvei un izgatavot pirmos šādus paraugus.

Izstrādāta oriģināla metode 1D oglekļa nanodaļiņu agregātu orientēšanai silikoneļļā elektrostatiskajā laukā, izmantojot periodisku nanodaļiņu suspensijas apstrādi ar ultraskaņu. Rezultātā, iegūti kompozīti ar ilgstoši noturīgu 1D nanodaļiņu orientāciju pēc elektrostatiskā lauka izslēgšanas.

8. Sagatavot un iesniegt publicēšanai SCI žurnālā zinātnisko rakstu.

Publicēti divi zinātniskie raksti žurnālos:

1.  A. Berzina, V. Tupureina, R. Orlovs, D. Saharovs, J. Bitenieks, and M. Knite, “Increase of Electrical Conductivity due to Chemical Reduction of Pre-Exfoliated Graphene Oxide by Sodium Borohydride,” Advanced Materials Research, 2015, 1117, pp 187-190.

2. K.Ozols, M.Knite, Mechanical Pressure Induced Capacitance Changes of Polyisoprene/Nanostructured Carbon Black Composite Samples, IOP Conf. Series:Materials Science and Engineering, 2015, 77, p1-5, doi:10.1088/1757-899X/77/1/01/2024 (SCOPUS).

9. Pētīt divkomponenšu polimēru kompozītus, kuros izmantotas dažādas nanoizmēra pildvielu daļiņas.

Izstrādāts modeļa variants polimēru-silikātu elastības moduļa prognozēšanai. Modelējot daudzslāņainās daļiņas formu ar rotācijas elipsoīdu un izmantojot Mori-Tanaka metodi un Eshelby risinājumu, iegūtas galīgas analītiskas sakarības ceturtā ranga elastības tenzora komponenšu aprēķināšanai monotropam nanokompozītam, kurā daudzslāņainās daļiņas izvietotas komplanāri. Elastības konstantes izotropam kompozītam ar haotiski orientētām daļiņām noteiktas ar orientācijas viduvējošanas metodi. Tas ļauj būtiski precizēt elastības stinguma prognozēšanu polimēru-silikātu nanokompozītiem ar nepilnīgi eksfoliētām pildvielas daļiņām. Izstrādātā modeļa varianta sīks apraksts izklāstīts zinātniskā rakstā SCI žurnālā.

10. Pētīt trīskomponenšu hibrīdu polimēru kompozītus, kas satur hibrīdu polimēru matricu vai dažādas nanodaļiņas, kuras atšķiras pēc ķīmiskā veida, fizikāli-ķīmiskajām īpašībām, ģeometriskās formas un izmēriem.

Apkopoti un publicēti īpašību izpētes rezultāti divu tipu polimēru nanokompozītiem: bioloģiski degradējamām kompozīcijām no plastificētas kartupeļu cietes (KC), kas armēta ar montmorillonīta (MMT) daļiņām, un polietilēnam (PE), armētam ar oglekļa nanocaurulītēm (ONC). Konstatēts, ka KC kompozītu mehānisko īpašību rādītājus var būtiski uzlabot, ievadot salīdzinoši nelielu daudzumu MMT. Pozitīvi rezultāti iegūti arī, izveidojot PE/ONC kompozītus un izpētot to īslaicīgās un ilglaicīgās (šļūde) elastiskās īpašības.

11. Pētīt nanokompozītu hibrīdsistēmas ar neorganiskas dabas modifikatoriem (funkcionalizētas oglekļa nanocaurulītes (ONC)) nolūkā izvērtēt šo materiālu pielietojuma iespējas termoelektrisku ierīču (elektriskās šūnas, termoelektriskie ģeneratori) izstrādē.

Izvērtēta metode oglekļa nanocaurulītes saturošu termoplastisku poliolefīnu kompozītu izgatavošanai, šim nolūkam izmantojot ultraskaņas disperģēšanu un termoplastisko samaisīšanu. Izvērtēta laboratorijā sintezētu imidazolija un piridīnija jonu šķidrumu (sānu atzarojumu grupas C4… C12, anjoni: Br-, PF6-) modificēšanas efektivitāte salīdzinājumā ar maleīnskābes anhidrīda piepotētu polimēru (MA-g-P: MA-g-PE, MA-g-PP) modifikatoriem.

Noteikts, ka PF6- anjonu grupas un lielāku par C4 alkilatzarojumu saturošu imidazolija jonu šķidrumu (1-3 m. %) līdzīgi kā MA-g-P (3 m.%) izmantošana kompozīcijās ar ONC saturu līdz 3 masas % ļauj palielināt to elastības moduļu (līdz 12 %), deformējamību (līdz 20%), kā arī stiklošanās temperatūru (līdz 5-7 oC) vērtības, kamēr pie lielāka pildvielas satura ONC daļiņu savstarpējā mijiedarbība izsauc krasu mehānisko īpašību pazemināšanos (materiāli kļūst trausli). Līdz ar to iesākti pētījumi par kovalentu jonu šķidrumu piesaisti ONC virsmai, lai samazinātu ONC savstarpējo mijiedarbību<s>,</s> un uzlabotu kompozīciju ekspluatācijas īpašības (mehāniskās, elektriskās un termiskās) pie pildvielu satura > 3%.

Par pētījumu rezultātiem ziņots starptautiskā konferencē un publikācijā SCI žurnālā. Publicēšanai SCI žurnālā tiek gatavots vēl viens apkopojošs raksts. 

12. Izstrādāt un pielietot metodes polimēru nanokompozītu un hibrīdnanokompozītu mikro- un makro- deformatīvo īpašību izpētei pie paaugstinātām temperatūrām (25...200 oC).

Izstrādāta metode polimēru kompozītu sprieguma-deformatīvo īpašību izpētei stiepē pie paaugstinātām temperatūrām, kas kopā ar citu mehānisko, termisko, fizikāli-ķīmisko un īpašību rādītāju, kā arī spektrometrisko struktūras izpētes metožu pielietošanu ļauj kompleksi izvērtēt virsmolekulārās struktūras izmaiņas, kā arī mikro un nanopildvielu ietekmi uz polimēru nanokompozītu, t.sk., modificētu ar jonizējošo starojumu vai nejonizējošo starojumu, slodzes izturību, termisko izturību un citiem ekspluatācijas īpašību rādītājiem.

Struktūras izpēte (gelfrakcijas un IS spektru analīze) un stiepes-demormācijas īpašību novērtējums 100-140oC temperatūrā (zem PE un PP polimēru matricu kristalītu kušanas diapazona) ļāva izvērtēt ONC ietekmi uz poliolefīnu makromolekulu šķērssaistīšanos, oksidēšanos un šo procesu ietekmi uz materiālu pielietojuma iespējām termonosēdes elementos.

Ievērojot, ka līdz 1-2 MGy absorbētajām dozām apstarotajām PE kompozīcijām un līdz 25 kGy absorbētajām dozām apstarotajām PP kompozīcijām ar ONC saturu 0.5-3 m.% saglabājas deformējamība >300%, var secināt, ka tās ir piemērotas termonosēdmateriālu izgatavošanai.

Pētījumu rezultāti publicēti SCI žurnālos un starptautisku konferenču tēžu krājumos, kā arī par tiem ziņots atbilstošajās starptautiskajās konferencēs. 

Projekta 1. posmā veikti pētījumi par biodegradabu polimēru (termoplastiskā ciete) nanokompozītu ar slāņainajiem silikātiem (montmorillonīta māliem MMT) iegūšanu. Nolūkā uzlabot biodegradablo polimēru īpašības izvērtēta jonu šķidrumu (JŠ) piemērotība gan polimera matricas plastificēšanai, gan MMT modificēšanai. Šajā nolūkā sintezēti piemēroti imidazolija JŠ un, izmantojot kausējuma samaisīšanas tehnoloģiju, veikta JŠ ievadīšana termoplastiskās cietes matricā, tādējādi izvērtējot tās plastificēšanas efektivitāti salīdzinājumā ar klasisko plastifikatoru – glicerīnu. Konstatēts, ka jonu šķidrums sekmīgi izmantojams, kā alternatīva glicerīnam. Vienlaicīgi izvērtēta JŠ piemērotība MMT modificēšanai. Šajā sakarā izstrādāta metode MMT modificēšanai ar JŠ. Konstatēts, ka JŠ sekmīgi izmantojami MMT modificēšanai par ko liecināja mālu starpplākšņu attāluma palielināšanās, kas nodrošināja labāku nanodaļiņu disperģēšanos polimēra matricā un līdz ar to arī augstākus barjeras (vairāk nekā 2 reizes samazināta caurlaidība un difūzijas koeficients) un mehānisko īpašību (paaugstināts elastības modulis (vairāk nekā 2 reizes) un mehāniskā stiprība) rādītājus. Pētījumu gaitā izveidota eksperimentālo rezultātu datu kopa par biodegradablu polimēru nanokompozītu ar slāņainajiem silikātiem struktūru un izvēlētām ekspluatācijas īpašībām.

Veikti pētījumi par modificētu oglekļa nanopildvielu (grafīta, grafēna oksīda, reducētā grafēna oksīda, funkcionalizētā grafēna oksīda) struktūru, elektriskajām/ dielektriskajām un termiskajām īpašībām. Veikta oglekļa nanopildvielu struktūru starpplāķšņu attāluma izmaiņu analīze atkarībā no oglekļa nonopildvielas veida (izejas, oksidētā, reducētā, organomodificētā).

Konstatēts, ka grafēna oksīda termiskā stabilitāte ir viszemākā salīdzinājumā ar citām oglekļa nanopildvielas formām. Grafēna oksīda modificēšanas rezultātā konstatēta būtiska termiskās izturības palielināšanās, kura pieaug, palielinoties modifikatora saturam. Savukārt organomodifikatoru ietekme uz reducētā grafēna oksīda formām ir ievērojami mazāka. Izvērtēti arī grafēna nanodaļiņu termiskās sadalīšanās stadiju atkarība no temperatūras, kas ir būtiska polimēra nanokompozītu izveidē.

Izvērtēta arī oglekļa nanopildvielas ietekme uz polivinilspirta nanokompozītu dinamiskajām īpašībām plašā temperatūru diapazonā un konstatēta būtiska elastības moduļa palielināšanās (1,5 reizes), pieaugot nanopildvielas saturam, kas notikusi uz nanokompozīta stiklošanās temperatūras palielināšanās rēķina. Jāatzīmē, ka vienlaicīgi novērota nanokompozītu elektrisko īpašību palielināšanās, pieaugot nanopildvielas saturam.

Aizsākti pētījumi par polimēru kompozītmateriālu izstrādi uz nolietoto materiālu bāzes sadarbībā ar Latvijas ražotājiem. Izmantojot kaņepāju šķiedru atgājas, otrreizējās polipropilēna šķiedras un otrreizējās polietilēntereftalāta štāpeļšķiedras izstrādātas videi draudzīgas kompozīcijas filtrācijas materiālam meliorācijā ar atšķirīgām izejas komponenšu proporcionālajām attiecībām. Veikti pētījumi par dažāda biezuma neaustu hibrīdšķiedru klājumu iegūšanu, izmantojot atbilstošas šķiedru priekšapstrādes un kāršanas tehnoloģijas/metodes. Izvērtētas šķiedras saturoša daudzslāņu hibrīdkompozīta iegūšanas iespējas, izmantojot piemērotu termiskās pārstrādes tehnoloģiju. Noteikti hibrīdšķiedru klājumu iegūšanas atsevišķi tehnoloģiskie parametri: temperatūra, spiediens un cikla laiks. Sākts darbs pie kompozītu mehānisko īpašību noteikšanas atkarībā no slogošanas virziena, kā arī ūdens un gaisa barjeras īpašību noteikšanas, kas deva iespēju sākt veidot datu bāzi par šāda tika kompozītmateriālu ekspluatācijas īpašībām.

Veikti pētījumi par reciklējamu termoplastisku polioksimetilēna (POM) kompozītu ar etilēna-oktēna kopolimēru (EOK) un nanostrukturētu zinka oksīda (ZnO) pildvielu morfoloģijas pētījumi. Pētījumi veikti plašā POM un EOK proporcionālo attiecību diapazonā, izmantojot pēc molekulmasas atšķirīgus POM un pēc elementārvienības atšķirīgus EOK. ZnO saturs kompozīcijās savukārt variēts robežās no 0 līdz 2 masas %. Konstatēts, ka polimērkompozīcijas raksturo heterogēna struktūra, kurā dispersā fāze matricā izkliedēta sfērisku daļiņu veidā, kuru gludā virsma un esošā sprauga starp ieslēgumu un matricu liecina par samērā vājiem adhezīviem spēkiem starp komponentēm. Fāžu pārejas kompozīcijās novēroti tukšumi, kas ievērojami samazina kontaktvirsmas laukumu. Novērots, ka POM matricas kompozīcijās EOK fāzes daļiņu izmērs pieaug, palielinot EOK saturu. Savukārt EOK matricas kompozīcijās POM fāzes daļiņu izmēri ir ~ 2 reiz mazāki un tās raksturo ievērojami šaurāks izmēru sadalījuma diapazons.

ZnO saturošo daudzkomponentu sistēmu morfoloģija liecina, ka nanodaļiņas veidā labi disperģējušās gan izejas komponentu, gan bināru polimēru kompozītu matricās. Jāpiemin gan, ka vairākās kompozīcijās konstatēti ZnO nanodaļiņu aglomerāti. Ievadot ZnO, netiek novērotas būtiskas izmaiņas polimēru fāžu morfoloģijā: gluži kā bināru polimēru kompozītu gadījumā, novēro, ka EOK fāzes daļiņu izmēri un disperģēšanās matricā ir atkarīgi no komponentu proporcionālajām attiecībām, proti, palielinoties dispersās fāzes saturam, tās daļiņu izmēri palielinās.

Svarīgi atzīmēt, ka pētījuma veikšanai tika izmantots VNPC ietvaros iegādātais SEM+FIB mikroskops.

Izstrādāta oriģināla elastomēra/oglekļa nanokompozītu paraugu izgatavošanas metode, vulkanizējot paraugus autoklāvā neitrālas gāzes atmosfērā dažādās konstantās temperatūrās. Izgatavoti elastomēra/oglekļa nanodaļiņu kompozīta paraugi, kuriem konstatēts pjezopermitivitātes efekts. Pētītas mehanoelektriskās īpašības spiedes spēka režīmā.

Pēc modificētas Hummera metodes termiski eksfoliētais grafīts (TEG) tika oksidēts sērskābā vidē ar kālija permanganātu un nātrija nitrātu. Iegūtais TEG oksīds pēcāk tika reducēts, izmantojot nātrija borhidrīdu kobalta hlorīda klātbūtnē, tādejādi iegūstot reducētu TEG oksīdu. Rezultātā, no TEG ir iegūtas elektro-vadošas nanodaļiņas, kuru elektriskā pretestība ir par kārtu zemāka nekā no komerciāli pieejama grafēna oksīda (GO) iegūtais produkts.

Izstrādāta oriģināla metode 1D oglekļa nanodaļiņu agregātu orientēšanai silikoneļļā elektrostatiskajā laukā, izmantojot periodisku nanodaļiņu suspensijas apstrādi ar ultraskaņu. Rezultātā, iegūti kompozīti ar ilgstoši noturīgu 1D nanodaļiņu orientāciju pēc elektrostatiskā lauka izslēgšanas.

Izstrādāts modeļa variants polimēru-silikātu elastības moduļa prognozēšanai. Vispirms noteiktas neeksfoliētu transversāli izotropu daļiņu elastības konstantes. Aprēķini izpildīti atbilstoši elastības sakarībām slāņainās vidēs. Pēc tam, modelējot daudzslāņainās daļiņas formu ar rotācijas elipsoīdu un izmantojot Mori-Tanaka metodi un Eshelby risinājumu, iegūtas galīgas analītiskas sakarības ceturtā ranga elastības tenzora komponenšu aprēķināšanai monotropam nanokompozītam, kurā daudzslāņainās daļiņas izvietotas komplanāri. Elastības konstantes izotropam kompozītam ar haotiski orientētām daļiņām noteiktas ar orientācijas viduvējošanas metodi. Tas ļauj būtiski precizēt elastības stinguma prognozēšanu polimēru-silikātu nanokompozītiem ar nepilnīgi eksfoliētām pildvielas daļiņām.

Apkopoti un publicēti īpašību izpētes rezultāti divu tipu polimēru nanokompozītiem: bioloģiski degradējamām sistēmām no plastificētas kartupeļu cietes (KC), kas armēta ar montmorillonīta (MMT) daļiņām, un polietilēnam (PE), armētam ar oglekļa nanocaurulītēm (CNT). KC/MMT kompozītu izveidošana un izpēte ir svarīga no ekoloģiskā viedokļa. Konstatēts, ka KC plēves mehānisko īpašību rādītājus var būtiski uzlabot, ievadot salīdzinoši nelielu daudzumu MMT. Piemēram, KC/MMT kompozīta plēvēm ar 6% MMT saturu stiprība un elastības modulis atbilstīgi palielinās 1,9 un 2,6 reizes, salīdzinot ar nepildītu KC. Pozitīvi rezultāti iegūti arī, izveidojot PE/CNT kompozītus un izpētot to īpašības. 5% CNT ievadīšana ir ļāvusi paaugstināt PE elastības moduli, tecēšanas robežu un stiprību atbilstīgi par 60, 31 un 34%. Turklāt ievērojami paaugstinājās materiāla šļūdes pretestība – šļūdes padevīgums samazinājās par 30%.

Izvērtēta metode nemodificētas un funkcionalizētas oglekļa nanocaurulītes saturošu termoplastisku poliolefīnu (polietilēna, polipropilēna, etilēna-oktēna kopolimēra) kompozītu izgatavošanai, šim nolūkam izmantojot ultraskaņas disperģēšanu un termoplastisko samaisīšanu.

Noteikts, ka PF6- anjonu grupas un lielāku par C4 alkilatzarojumu saturošu imidazolija jonu šķidrumu līdzīgi kā MA-g-P klātienē pieaug kompozīciju (nanocaurulīšu saturam nepārsniedzot 3 masas %) elastības modulis (līdz 12 %), deformējamība (līdz 20%), kā arī stiklošanās temperatūra (par 5-7 oC), ko ietekmē daļēji kompatibilizējošu virsmaktīvo modifikatoru klātbūtne, kamēr pie lielāka pildvielas satura ONC daļiņu savstarpējā mijiedarbība izsauc krasu mehānisko īpašību pazemināšanos (materiāli kļūst trausli). Līdz ar to iesākti pētījumi par kovalentu jonu šķidrumu piesaisti ONC virsmai, lai samazinātu ONC savstarpējo mijiedarbību, un uzlabotu kompozīciju mehāniskās, elektriskās un termiskās īpašības pie pildvielu satura > 3%.

Izstrādāta metode polimēru kompozītu sprieguma-deformatīvo īpašību izpētei stiepē pie paaugstinātām temperatūrām, kas kopā ar citu mehānisko, termisko, fizikāli-ķīmisko īpašību rādītāju un spektrometrisko struktūras izpētes metožu pielietošanu ļauj kompleksi izvērtēt virsmolekulārās struktūras izmaiņas, kā arī mikro un nanopildvielu ietekmi uz polimēru nanokompozītu (t.sk., modificētu ar jonizējošo vai nejonizējošo starojumu) slodzes izturību, termisko izturību un termonosēdīpašībām.

Struktūras izpēte (gelfrakcijas un IS spektru analīze) un stiepes-demormācijas īpašību novērtējums 100-140oC temperatūrā (zem PE un PP polimēru matricu kristalītu kušanas diapazona) ļāva izvērtēt ONC ietekmi uz poliolefīnu makromolekulu šķērssaistīšanos, oksidēšanos un šo procesu ietekmi uz materiālu pielietojuma iespējām termonosēdes elementos.

Noteikts, ka PP kompozīcijām ar ONC saturu 0,5-1,5 % pie absorbētās dozas Dabs = 25 kGy gelfrakcijas saturs pieaug 1.3-1.7 reizes salīdzinājumā ar izejas PP. PE kompozīcijām ar ONC saturu 0.5-5 % pie absorbētās dozas Dabs=1-2 MGy novērojams būtisks gelfrakcijas pieaugums līdz 58 % salīdzinājumā ar izejas PE, ko nosaka makromolekulu šķērssaistīšanās amorfo-kristālisko fāžu robežvirsmā, samazinoties kristāliskuma pakāpei, kā arī makromolekulu šķērssaistīšanās oksidēšanās produktu rekombinācijas radikāļ-ķīmiskajos procesos (C-O-C, C-C šķērssaišu veidošanās, ko apstiprina FTIR spektru analīze).

Pie paaugstinātām temperatūrām krasāk novērojama ONC ietekme uz stiprības-deformatīvo īpašību izmaiņām slodzes ietekmē: 100 oC temperatūrā PE un 140oC temperatūrā PP kompozīcijām izzūd tecēšanas maksimums, ko nosaka zemi sakārtoto kristalītu kušana. Pieaugot ONC saturam līdz 3 m.% pieaug termoplastisko PE un PP nanokompozīciju elastības modulis (līdz 24 %), kā arī sagraušanas robežspriegums (līdz 1.3 reizēm), bet saglabājās augstas deformatīvās īpašības (trūkšanas pagarinājums – 300-400 %, kas ir 1,5-2 reizes lielāks kā kompozīcijām istabas temperatūrā).

Jāatzīmē, ka līdz 1-2 MGy absorbētajām dozām apstarotajām PE kompozīcijām un līdz 25 kGy absorbētajām dozām apstarotajām PP kompozīcijām ar ONC saturu 0.5-3 m.% saglabājas deformējamība >300%, kas ir vairāk nekā 3 reizes lielāka kā klasisko termonosēdes materiālu minimālā relatīvā pagarinājuma vērtība, kas ir nepieciešama kvalitatīvai paraugu orientācijai. Tādējādi var secināt, ka pētītās kompozīcijas ir piemērotas termonosēdmateriālu izgatavošanai. Konstatēts, ka līdz Dabs=25 kGy apstarotu PP kompozīciju ar ONC saturu 0-1 m.% termonosēdīpašības ir salīdzināmas ar klasiskiem termonosēdmateriāliem (PE pie Dabs = 100-150 kGy): sarukšanas sprieguma un paliekošo nosēdspriegumu vērtības mainās robežās 0,25-0,40 MPa un 1,6-1,8 MPa attiecīgi.

Mehānisko un struktūras īpašību izpēte ļauj spriest par ONC ietekmi uz radikāļ-ķīmiski inducēto nevēlamo struktūrpārvērtību procesu samazināšanos pie pildvielas satura līdz 3 m.% pēc kompozīciju modificēšanas ar lielām jonizējošā starojuma dozām (> 300 kGy). Plānots turpmākajos projekta posmos plašāk izvērtēt šo kompozīciju radiācij-ķīmiskos procesus, izvērtējot to termo-mehāniskos (termonosēdīpašību un stiepes-deformatīvo raksturlielumu) rādītājus pie paaugstinātām temperatūrām līdztekus struktūras izpētei plašā jonizējošā starojuma absorbēto dozu apgabalā.

Nākamajā projekta posmā plānots

  • turpināt izvērtēt atsevišķu tehnoloģisko faktoru (temperatūra, frikcija) ietekmi uz videi draudzīgu/biodegradablu daudzfunkcionālu polimēru nanokompozītu struktūru un īpašībām (t.sk., mehāniskajām),
  • turpināt pētījumus par modificētas oglekļa nanopildvielas saturošu termoplastisku polimēru nanokompozītu struktūru un īpašībām
  • sadarbībā ar Latvijas ražotājiem turpināt pētījumus par polimēru kompozītmateriālu izstrādi uz nolietotā polietilēntereftalāta bāzes, izvērtējot kompozītmateriālu struktūru un īpašības nolūkā rast pielietojumu filtrelementu izstrādei,
  • veikt pētījumus par daudzkomponentu polimēru nanokompozītu struktūru un atsevišķām ekspluatācijas īpašībām,
  • optimizēt (palielināt) iepriekšējā VPP etapā izgatavotajos polimēra nanokompozīta paraugos novēroto pjezopermitivitātes efektu, teorētiski izskaitļojot piemērotāko matricu un pildvielu, kā arī optimālās to koncentrācijas; izpētīt šo materiālu dielektriskās un mehano-dielektriskās īpašības,
  • izgatavot mehānisko svārstību enerģijas savācēja prototipu, balstoties uz iepriekšējā VPP etapā novēroto pjezopermitivitātes efektu
  • izgatavot polimēra un iepriekšējā VPP etapā iegūto reducētā grafēna oksīda nanokompozītus un pētīt to īpašības,
  • turpināt strādāt pie orientētu 1D un 2D nanodaļiņu/polimēru kompozītu iegūšanas metožu pilnveidošanas, kā arī pie reālu orientēto nanodaļiņu kompozītu izgatavošanas.
  • turpināt pētīt trīskomponenšu polimēru kompozītus, kas satur matricu ar atšķirīgām pēc īpašībām sastāvdaļām,
  • noskaidrot armējuma efektivitātes paaugstināšanas iespējas,
  • uzsākt augšminēto kompozītu ilglaicīgās pārbaudes, lai noskaidrotu to deformēšanās īpašības (ilglaicīgā šļūde), iedarbojoties mehāniskai slodzei; noskaidrot ilglaicīgās šļūdes prognozēšanas iespējas pēc paātrināto pārbaužu rezultātiem,
  • veikt pētījumus par organiskas dabas modifikatorus saturošu ķīmiski funkcionalizētu oglekļa nanopildvielu(ONC)) struktūras un atsevišķu termofizikālo (termisko, termoplastisko un viskoelastisko) īpašību raksturošanu nolūkā izvērtēt šo materiālu pielietojuma iespējas termoelektriskām ierīcēm paredzētu kompozītmateriālu izstrādē
  • Izstrādāt un pielietot metodes elektrovadošu hibrīdkompozītu izstrādē, izmantojot elektrovadošu materiālu uz tiofēna bāzes un termoplastisku polimēru matricas.

Iegūtie rezultāti publicēti vairākos SCOPUS/Thomson Reuters datu bāzēs indeksētos žurnālos (6), kā arī par tiem ziņots vairākās starptautiskās konferencēs (6), kuru rakstu krājumos publicēti arī atbilstošie prezentāciju materiāli (10). Vienlaicīgi sagatavoti materiāli dalībai vairākās starptautiskās konferencēs, t.sk., Rīgā organizētajā konferencē EuroNanoForum 2015. Par projekta tematiku tiek izstrādāti vairāki studentu kvalifikācijas darbi, t.sk, 4 disertācijas (2015. gada rudenī plānota 1 disertācijas aizstāvēšana), 2 maģistra darbi (2015. gada pavasarī plānota 1 maģistra darba aizstāvēšana) un 4 bakalaura darbi.

Zinātnisko publikāciju saraksts

1. Reinholds, I., Roja, Z., Zicans, J., Meri, R. M., & Bitenieks, J. (2015, March). Properties of PP/MWCNT-COOH/PP composites made by melt mixing versus solution cast/melt mixing methods. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 77, No. 1, p. 012013). IOP Publishing. (t.sk., SCOPUS)

2. Reinholds, I., Kaļķis, V., Zicāns, J., Merijs-Meri, R., Bočkovs, I., Grigaloviča, A., Muizzemnieks, G. New Thermoshrinkable Materials of Radiation Modified Polypropylene-Elastomer Composites with Cross-linking Agents. Key Engineering Materials, 2014, Vol.604, 134.-137.lpp. ISSN 1662-9795. Pieejams: doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.604.134 (t.sk., SCOPUS)

3. Kaļķis, V., Reinholds, I., Zicāns, J., Merijs-Meri, R., Bitenieks, J., Bočkovs, I. Radiation-Chemically Modified PP/CNT Composites. e-Polymers, 2014, Vol.14, Iss.4, 259.-265.lpp. ISSN 2197-4586. e-ISSN 1618-7229. Pieejams: doi:10.1515/epoly-2013-0092 (t.sk., Thomson Reuters)

4. A. Berzina, V. Tupureina, R. Orlovs, D. Saharovs, J. Bitenieks, and M. Knite, “Increase of Electrical Conductivity due to Chemical Reduction of Pre-Exfoliated Graphene Oxide by Sodium Borohydride,” Advanced Materials Research, 2015, 1117, pp 187-190 (t.sk., SCOPUS)

5. K.Ozols, M.Knite, Mechanical Pressure Induced Capacitance Changes of Polyisoprene/Nanostructured Carbon Black Composite Samples, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2015, 77, p1-5, doi:10.1088/1757-899X/77/1/01/2024 (t.sk., SCOPUS)

6. R. D. Maksimov and E. Plume. Elastic properties of a polymer / silicate composite with platelike multilayer filler particles // Mechanics of Composite Materials, Vol. 50, No. 5, 2014. – P. 613–622. DOI: 10.1007/014–9449–4 (t.sk., SCOPUS)

Konferenču rakstu krājumu saraksts

1. Roja, Ž., Reinholds, I., Zicāns, J., Merijs-Meri, R., Ābele, A. Polyethylene Composites with Multi-Walled Carbon Nanotubes Irradiated with High Rates (1-2MGy) of High- Energy Electrons. No: Abstracts of Riga Technical University 56th International Scientific Conference. Section Material Science and Applied Cheminstry, Latvija, Rīga, 14.-16. oktobris, 2015. Rīga: RTU Izdevniecība, 2015, 37.-37.lpp. ISBN 978-9934-10-733-7. (Sagatavotas)

2. J. Zicans, R. Merijs Meri, T. Ivanova, A. Kaulina, V. Gorbatyuk. Comparison of non-woven composite materials from recycled polyethylene terephthalate fibres and natural fibers. Book of Abstracts of the 2nd International Conference on Natural Fibers - From Nature to Market ICNF, April 27.-29., 2015, San Miguel, Azores, Portugal, p. 1-2. ISBN: 978-989-98468-4-5(Sagatavotas)

3. R. Merijs Meri, J. Zicans, T. Ivanova, Ž. Roja, I. Reinholds. Ionic liquids for modification of thermoplastic starch nanocomposites. Book of Abstracts of International Conference Book of Abstracts of the 2nd International Conference on Natural Fibers - From Nature to Market ICNF, April 27.-29., 2015, San Miguel, Azores, Portugal, p. 1-2. ISBN: 978-989-98468-4-5 (Sagatavotas)

4. G.Sakale, M.Knite, I.Klemenoks, S.Stepina, S.Sergejeva. Application of chemiresistive polymer films in air quality control. COST Action TD1105 - New Sensing Technologies for Air-Pollution Control and Environmental Sustainability - Third Scientific Meeting, organized by GEBZE and Bahcesehir University, Istanbul, 3-5 December 2014

5. R. Merijs-Meri, J. Zicans, I. Reinholds, V. Kalkis, E. Dilbeka. Modification of thermoplastic starch - nanoclay composites by means of ionic liquid. Program and Abstracts of the 2nd International Conference on Bioinspired and Biobased Chemistry & Materials N.I.C.E. 2014, October 15- 17, 2014, Nice, France, p. 291.

6. A. Trausa, R. Bērziņa, J. Bitenieks, V. Peipiņš, A. Rudušs, R. Merijs Meri, J. Zicāns, V. Kokars. Structure and selected exploitation properties of the modified graphite nanoadditives containing polyvinyl alcohol composites. Book of Abstracts of the 55th International Scientific Conference of Riga Technical University, October 14-17, 2014, Riga, Latvia, p. 62.

7. K.Ozols, M.Knite, Effect of Roll Mill Mixing on AC Conductance of Polyisoprene/Nanostructured Carbon Composites, Abstracts of the Riga Technical University 55th International Scientific Conference, October 14-17, 2014, Riga, Latvia, p 52

8. Reinholds, I., Kaļķis, V., Zicāns, J., Merijs-Meri, R., Bitenieks, J. Structure and Properties of Functionalized Carbon Nanotube/Polypropylene Composites. No: 12th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity and 9th International Conference Functional Materials and Nanotechnologies: Book of Abstracts, Latvija, Rīga, 29. Sep-2. Okt., 2014. Riga: Institute of Solid State Physics, University of Latvia, 2014, 304.-304.lpp.

9. J. Zicāns, R. Merijs Meri, R. Bērziņa, J. Bitenieks, V. Kokars, V. Peipiņš, A. Rudušs. Dielectric and mechanical relaxation in the modified carbon nanofillers containing polyvinyl alcohol composites. Book of Abstracts of Joint 12th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity and 9th International Conference Functional Materials and Nanotechnologies, Sept. 29. - Oct. 2., 2014, Riga, Latvia, F-50.

10. R. Merijs Meri, J. Zicans, T. Ivanova, A. Kokins, V. Kalkis, I. Reinholds. Structure, rheological and mechanical properties of melt compounded polypropylene nanocomposites. Book of Abstracts of Joint 12th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity and 9th International Conference Functional Materials and Nanotechnologies, Sept. 29. - Oct. 2., 2014, Riga, Latvia, F-51.

11. K.Ozols, M.Knite, Mechanical Pressure Induced Capacitance Changes of Polyisoprene/Nanostructured Carbon Black Composite Samples. No: Joint 12th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity and 9th International Conference "Functional Materials and Nanotechnologies": Book of Abstracts, Latvija, Rīga, 29. September-2. Oktober, 2014. Riga: Institute of Solid State Physics, University of Latvia, 2014, p.339. ISBN 978-9984-45-875-5.

12. Reinholds, I., Kaļķis, V., Kizane, G., Zicāns, J., Merijs-Meri, R. Thermomechanical Properties of Electron Beam Modified Elastomer/Polypropylene Composites: Insulation Materials for Nuclear Power Plant Facilities. No: 28th Symposium on Fusion Technology (SOFT 2014), Spānija, San Sebastian, 29. Sep-3. Okt., 2014. San Sebastian: 2014, 782.-782.lpp.

13. A. Berzina, V. Tupureina, R. Orlovs, D. Saharovs, J. Bitenieks, and M. Knite, “Effect of chemical reduction on pre-exfoliated graphene oxide structure and electrical properties,” The 13th International Conference on Global Research and Education Inter-Academia 2014, Riga, Latvia, September 10-12, 2014, p.105-106 ISBN 978-9934-10-583-8.

Doktora darbu izstrāde

1. Teorētisko kursu beigušais doktorants Juris Bitenieks „Oglekļa nanocaurulītes saturoši termoplastisku polimērkompozīti” (Zin. vadītāji M. Kalniņš, J. Zicāns)

2. 3. studiju gada doktorants Kapars Ozols, “Polimēra/neorganisku nanodaļiņu kompozītu elektriskās un optiskās īpašības” (Zin. vadītājs M. Knite)

3. 3. studiju gada doktorants Artis Linarts “Elastomēra/nanografīta kompozītu sensorelementu sistēmu pjezorezistīvās īpašības” Aizstāvēšana plānota – Rīgas Tehniskajā universitātē, 2015. g. rudenī (Zin. vadītājs M. Knite)

4. 2. studiju gada doktorante Santa Stepiņa, “Inovatīvi hibrīdie polimēru nanokompozīti ķīmisko vielu sensoriem” (Zin. vadītājs M. Knite)

Maģistra darbi

1. Aleksandrs Magdičš. Modificētu polietilēna kompozīciju ar oglekļa nanocaurulītēm termofizikālās un struktūras īpašības. Aizstāvēts - Latvijas Universitāte, Ķīmijas fakultāte, 2015.g. pavasarī. (Zin. vadītājs I. Reinholds)

2. 2. studiju gada maģistrante Astrīda Bērziņa (Zin. vadītājs M. Knite)

Bakalaura darbi

1. 3. studiju gada bakalaurante Inta Stalte (Zin. vadītājs M. Knite)

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

2. studiju gada bakalaurante Kristiāna Korsaka Mille (Zin. vadītāji J. Zicāns, R. Merijs Meri)