Témata
Reklama

Ambiciózní projekt: Vývoj a výzkum nanomateriálů

Jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů současnosti jsou obory zabývající se nanomateriály a nanotechnologiemi. Tato velmi perspektivní disciplína nachází široké uplatnění ve všech oborech lidské činnosti. Jde však o vědní obor velmi mladý, takže principy výroby, aplikací a jejich zkoušení nejsou dosud dostatečně popsány. A to byl právě impulz pro vznik Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace v Liberci.

Ne náhodou vzniká tento ústav při Technické univerzitě v Liberci (TUL). Právě tato univerzita je kolébkou vzniku nanovláken. V roce 1934 dr. Zeleny získal patent na výrobu nanovláken technologií tepelného elektrospiningu neboli elektrostatického zvlákňování. O osmdesát let později prof. Jirsák a prof. Lukáš tuto technologii vylepšili a tím otevřeli dveře rozvoji a širokému použití polymerních nanovláken. Dnes se nanomateriály využívají např. ve zdravotnictví, stavebnictví, k ochraně životního prostředí, samozřejmě ve strojírenství a mnoha dalších oborech.

Reklama
Reklama
Moderní vědní obor, moderní vybavení, moderní design – budova Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace

O projektu v číslech

Projekt Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CxI) byl zahájen v listopadu 2009 a byl financován z Evropského fondu pro regionální rozvoj a ze státního rozpočtu prostřednictvím Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace dotací o celkové výši přesahující 654 milionů Kč, a stal se tak nejambicióznějším realizovaným záměrem v šedesátileté historii TUL. V tomto samém roce se začala stavět také velmi moderní budova Ústavu, která se nyní rozkládá na ploše 11 tisíc m2. Do nově postavené budovy se v létě 2012 přestěhovaly výzkumné, vývojové a inovativní laboratoře, které byly vybaveny více než stem nejmodernějších přístrojů a technologických zařízení za více než 240 milionů korun. Vybavení CxI slouží jak pro vědecko-výzkumnou činnost prováděnou ve výzkumných grantech, tak pro řešení výzkumných a vývojových zakázek z průmyslu. Na výzkumných aktivitách CxI se dnes podílí 216 odborných pracovníků, kteří pracují v 19 výzkumných laboratořích. Mezi dosavadní výsledky Centra patří přes 66 uzavřených grantových projektů o celkové dotaci přesahující 250 milionů Kč za rok 2014 a desítky zakázek smluvního výzkumu s objemem cca 46 milionů Kč (za rok 2014). Cílem projektu je vybudovat špičkové univerzitní pracoviště v oblastech materiálového výzkumu se zaměřením na vývoj, zpracování a využití progresivních materiálů, zejména nanomateriálů a konkurenceschopného strojírenství se zaměřením na vývoj a využití pokročilých strojírenských technologií (mechatronických systémů, pohonných jednotek a dalších komponent strojů atd.).

Prof. Ing. Petr Louda, CSc., nás pozval do výzkumných laboratoří a seznámil nás s problematikou nanomateriálů.

Materiálový výzkum

Vedoucím programu materiálového výzkumu je prof. Ing. Petr Louda, CSc., se kterým MM Průmyslové spektrum navázalo spolupráci a na jeho pozvání ústav navštívilo.

Výstupem ze scratch testu je graf, ze kterého lze vyhodnotit adhezi nanesené vrstvy.

Základní výzkum tohoto programu je zaměřen na kompletní fyzikální popis procesů probíhajících při elektrostatickém zvlákňování polymerních roztoků a tavenin. Vývojová část se specializuje na nové varianty procesů a jejich modifikace. Předmětem činnosti v základním výzkumu je elektrostatické zvlákňování, příprava různých typů nanopovrchových úprav a příprava kompozitů na bázi nanomateriálů. Aplikovaný výzkum nanomateriálů je orientován na zkoumání vlastností nanomateriálů a jejich využitelnost pro konkrétní uplatnění, například při vývoji specifických výrobků, povrchových úprav v medicíně a strojírenství a biotechnologických materiálů pro čištění vod a jiné sanační postupy.

Laboratoř plazmatických úprav

Během návštěvy Ústavu nanomateriálu jsme měli možnost nahlédnout do některých laboratoří. Jednou, nám strojařům velmi blízkou a zároveň velmi důležitou aplikací nanomateriálů je výroba tenkých vrstev. V laboratořích hodnocení nanovrstev se vrstvy tvrdé, otěruvzdorné či vrstvy s nízkým součinitelem tření nejen nanášejí, ale také testují. Na obrázku 3 jsou vzorky z běžné chirurgické oceli 316L, která se používá na výrobu implantátů ve zdravotnictví. Ocel 316L obsahuje mimo jiné prvky Cr, Mo, Ni a další a je nežádoucí, aby tyto prvky přestupovaly do lidského těla. Z tohoto důvodu se na implantáty nanášejí tenké bariérní vrstvy. Cílem řešené diplomové práce je optimalizace uhlíkové vrstvy z hlediska difuze, tzn. interakce mezi ocelí (implantátem) a živým organismem. Na těchto vzorcích se tedy testuje prostupnost těchto prvků do biologického prostředí.

Vzorky z chirurgické oceli s různou tloušťkou bariérní vrstvy.

Další aplikace pro medicínu

Jako další příklady využití nanomateriálů ve zdravotnictví můžeme jmenovat nanášení nanočástic stříbra na biokompatibilní polymery. Kationty stříbra mají antibakteriální vlastnosti, tzn. že při aplikaci např. na obvazový materiál chrání ránu před infekcí. Hydrofobní vlastnosti má zase vrstva amorfního uhlíku s nanočásticemi diamantu, kterou lze použít např. na ošetření popálenin. Zároveň lze nanést nanovlákna jen na jednu stranu podkladového materiálu, takže z jedné strany vlhkost z rány pohlcuje a z druhé vlhkost odpuzuje.

Ing. Totka Bakalova, Ph.D., nám vysvětluje princip vyhodnocování tribologických vlastností povlaků.

Zajímavá je také výroba nanotrubiček z vodou rozpustného polymeru, které mají průměr přibližně sto nanometrů. Dovnitř těchto trubiček lze umístit například barvivo nebo medikament a pak je možné řídit dobu rozpadu stěny trubičky. V tomto případě jde o velký potenciál při použití např. pro podávání léčiv, kdy se tato trubička rozpouští podle pH v žaludku.

Laboratoř hodnocení integrity povrchu

Doktorka Bakalova je vedoucí laboratoře hodnocení integrity povrchu a zabývá se hodnocením vlastností tenkých vrstev. Laboratoř je vybavena třemi stanovišti se špičkovými přístroji na vyhodnocení adheze povlaku, tribologie (tření) a mikro- a nanotvrdosti povlaku. Na obrázku 4 je vyhodnocení zkoušky adheze čili přilnavosti nanesené vrstvy k substrátu, prováděné na scratch testeru firmy Brucker. Zkouška probíhá tak, že se na vzorek diamantovým hrotem pod lineárním zatížením udělá rýha a z grafu se pak jednoduše odečte, při jakém zatížení došlo k prvnímu praskání a poškození povlaku. Na dalším přístroji – tribometru firmy Brucker se testuje součinitel tření a tribiologické vlastnosti nanášených nanopovlaků. Jako konkrétní příklad lze uvést příklad hřídele spalovacího motoru. Kdy nanesením tenkého povlaku se zlepšují mechanické vlastnosti (tvrdost, tření atd.) a tím i životnost tohoto dílu, ale samozřejmě také životnost celého motoru. Při ověřování třecích vlastností se do měřicího přístroje nevkládá celá hřídel, ale vyrobí se vzorek o stejném složení se stejnou povrchovou úpravou, lze simulovat reálné podmínky v motoru (teplota, tlak, mazání, …). Vzorek je v přístroji zatížen bodově či plošně po určitou dobu. Vyhodnocování výsledků probíhá na mikroskopu porovnáním vzorků s povlakem a bez povlaku, s použitím lubrikantu či bez něj apod. Zároveň obdržíme hned několik výstupů i z počítače, který celou zkoušku monitoruje a vyhodnocuje (mapování povrchu, nerovnost povrchu, drsnost atd.).


Ing. Vladimír Kovačič a jeho zahraniční stážista se podílejí na vývoji geopolymerů.


Obr. 7 Zkouška geopolymerního nátěru na dřevotřískové desce.

Laboratoř geopolymerů

Geopolymery jsou anorganické polymerní materiály, které jsou připravovány z hlinitokřemičitanových materiálů jejich geopolymerizací v zásaditém prostředí za normální nebo vyšší teploty a tlaku. Tyto geopolymery vykazují celou řadu velmi užitečných vlastností. Nejsou rozpustné ve vodě, nehoří ani nevytvářejí zplodiny, jsou odolné k teplotám kolem 1 000 °C, mají vysokou pevnost v tlaku. Jejich výroba je ve srovnání s výrobou portlandského cementu výrazně méně náročná na energii a násobně šetrnější k životnímu prostředí. Geopolymery lze aplikovat např. ve stavebnictví v oblastech vyžadujících vysoké tepelné odolnosti konstrukčních materiálů. Zamýšlí se používat je jako protipožární nátěry pro dřevostavby. Výsledky zkoušení tohoto nátěru na dřevotřískové desce plynovým hořákem, ukazuje obr. 7 - nátěr neprohořel ani po 30 minutách. To by umožnilo lidem při požárech včas hořící objekt opustit.

Závěrem

Z těchto několika ukázek aplikací nanomateriálů je očividný jejich obrovský potenciál. Liberecké výzkumné centrum se aktivně podílí na rozvoji nanotechnologií a jejich rozšíření do praxe, ať už v rámci VAV projektů či soukromých zakázek. Již nyní mají připraveno několik patentových přihlášek k další aplikaci nových myšlenek pro průmyslové využití. Cílem těchto nápadů je využití potenciálu nově vybudovaného centra ve prospěch inovací českého průmyslu.

Výsledky projektu LO1201 byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu "Národní program udržitelnosti I".

Autor: Ing. Eva Buzková, Liberec

eva.buzkova@mmspektrum.com

Reklama
Související články
Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

20 milionů lakovaných klik pro všechny značky automobilů

Moderní doba přináší moderní technologie také do automobilového průmyslu i samotných automobilů. Bezdotykové otvírání např. zadních dveří se již u některých modelů automobilů různých značek objevuje, avšak doba ještě nedospěla k úplnému odstranění vnějších klik k mechanickému otevírání vozu. Společnost WITTE Automotive se orientuje na výrobu zámků a zámkových aretací pro automobily snad všech světových výrobců. V novém závodě v Ostrově u Karlových Varů nedávno uvedla do provozu také velmi moderní lakovací linku právě pro vnější lakované kliky automobilů.

NPE 2012 a plastové materiály

V Orlandu na Floridě se na sklonku jara konala největší událost roku v průmyslu plastů - trienale NPE 2012, která současně oslavila 75. výročí založení SPI (Society of the Plastic Industry). Poprvé po 40 letech se National Plastics Exhibition, tento vrcholný veletrh amerického plastového průmyslu, nekonal v červnu v Chicagu, ale o něco dříve na Floridě, mimo centra automobilového průmyslu, plastů a strojírenství amerického Středozápadu.

Související články
Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

Podnikové výzkumné centrum formuje budoucnost vývoje materiálů

Eureka je aplikační laboratoř společnosti JSP, výrobce materiálu Arpro, která nabízí vývoj a výrobu prototypů, jejich testování a ověřování prvních sériových výrobků. Umožňuje dokonce experimenty s technologiemi, jako je například laminace či zalisovávání vkládaných dílů s možností ověření 3D tolerancí.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Nové možnosti průmyslového využití plastů

Supertechnopolymery představují nejnovější a nejvyspělejší článek ve vývoji polymerových materiálů. Od tradičních plastů se liší především vysokým obsahem vyztužujících skelných vláken, případně i přítomností syntetických vláken z aramidu, která dávají supertechnopolymerům výborné mechanické i tepelné vlastnosti. Díky své vysoké odolnosti se tyto moderní inženýrské plasty stále častěji stávají vhodnou alternativou za oceli, přičemž nabízejí i řadu výhod:

Formule 1 ve školách

Formule 1 ve školách je celosvětově uznávaná soutěž s částečnou propagací a podporou FIA Formule 1. Je určena pro mladé konstruktéry a manažery ze středních škol, kteří musí získat nejen potřebnou podporu pro vytvoření projektu, ale sestrojit model formule, zvládnout propagaci týmu a soupeřit s ostatními týmy v jednotlivých kolech soutěže.

Plastové materiály v reflexi K 2013

Inovační dopad exponátů prezentovaných na düsseldorfském veletrh plastů K do praktických aplikací, zejména zajímavých plastových materiálů, je aktuální nejen půl roku po skončení akce, kdy vám tento článek přinášíme, ale má časový přesah dalece větší. Aplikace automobilových plastů jsou možná divácky atraktivnějšími na autosalonech, avšak ty zajímající všechny jsou nové lehké materiály pro úsporu energie, šetřící jim kapsu.

Kompozitní materiály mění svět

Výzkum materiálů nabírá na obrátkách a přináší stále nové a nové poznatky v mnoha oblastech. Dalo by se říci, že se vydáváme cestou hledání nového paradigmatu.

Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

Historie firmy Letov má svůj počátek v listopadu 1918, kdy byl založen státní letecký vojenský podnik nazvaný "Letecký arsenál". Společnost prošla několika etapami, od vývoje a výroby vlastních letounů postupně až k vývoji a výrobě letadlových celků.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit