Laboratorij za kompozite v InnoRenew CoE

Med raziskovalnimi laboratoriji v InnoRenew CoE je tudi laboratorij za kompozite, ki vključuje opremo za izdelavo kompozitov iz materialov biotskega izvora (biomateriali), testiranje izdelkov, ki se uporabljajo v gradbeništvu, ter vplive različnih obdelav biomaterialov na njihove značilnosti. Vodilo pri oblikovanju tega laboratorija je bilo prilagodljivost in usmerjenost v izdelke in polizdelke na osnovi biomaterialov lesa za širok velikostni razpon.

Foto: Miran Kambič

Kompozitni materiali in inženirsko izdelani leseni izdelki lahko dosežejo visoko raven učinkovitosti in večjo zanesljivost zaradi inženirsko zasnovanih plasti in enakomerne porazdelitve slabosti, ki so naravno prisotne v masivnem lesu.

Kompozitni materiali in inžinersko izdelani lesni izdelki lahko dosegajo boljše značilnosti in so bolj zanesljivi v primerjavi z masivnim lesom. To pogosto dosežemo s slojnato zasnovo, izdelkov ter tako dosežemo bolj enakomerne razporeditve napak. Porazdelitev napak lahko dosežemo z oblikovanjem lesa v želeno obliko bodisi z razžagovanjem, drobljenjem ter drugimi načini predelave. Na našem inštitutu se poslužujemo predvsem razžagovanja, saj imamo v ta namen polno opremljeno delavnico za obdelavo lesa, kjer lahko predelujemo les vse od hlodovine do laboratorijskih testnih vzorcev. Če pa želimo les drobiti, pa imamo v laboratoriju za kompozite drobilnike, ki lahko predelajo od vej do večjih desk v manj kot milimeter velike delce. V primeru, da potrebujemo natančno znano velikost zdrobljenih delcev, slednje lahko tudi presejemo na velikih sitih ter jih tako porazdelimo v različne velikostne razrede.

Po drobljenju ali razžagovanju biomateriale ponovno spajamo v želeno obliko in sestavo kompozita. Pri ploskovnih izdelkih to običajno izvedemo z ogrevano stiskalnico, kjer z zahtevano silo dosežemo ustrezne tlake stiskanja. V laboratoriju za kompozite imamo manjšo vročo stiskalnico velikosti 60 cm x 60 cm, ki lahko ustvari silo 30 ton in veliko stiskalnico velikosti 150 cm x 90 cm, za sile do 270 ton. Obe stiskalnici sta zasnovani za enostavno izdelavo plošč, čeprav je tehnološki postopek morda precej kompleksen. Plošči stiskalnice, s katerima stiskamo nastajajoči kompozit, lahko namreč neodvisno ogrevamo ali ohlajamo, zelo natančno pa lahko povečujemo ali zmanjšujemo pritisk med njima. Zato sta stiskalnici primerni tudi za izvajanje termo-hidro mehanske (THM) obdelave, pri katerih moramo materiale med stiskanjem hitro in natančno segrevati in/ali ohlajati, včasih tudi izmenično. Raziskovalci v InnoRenew CoE v teh stiskalnicah pogosto izvajamo različne postopke obdelave THM za povečanje trdnosti, dimenzijske stabilnosti in trajnosti za uporabo razmeroma neprimernih vrst lesa z nizko gostoto, kot je denimo topolovina.

Poleg naprav za proizvodnjo plošč imamo v laboratoriju tudi opremo za izdelavo polimernih kompozitov. Tovrstne naprave nam omogočajo izdelavo manjših sarž testnih mešanic polimerov, polnil ter dodatkov, ki jih ekstrudiramo in pripravimo pelete. Slednje lahko vbrizgamo v testne kalupe različnih oblik ali iz njih izdelamo filamente za tisk 3D.

Posebni dozirniki v laboratoriju za kompozite omogočajo natančno odmerjanje in dovajanje materialov z nizko gostoto, kar je pogosto značilnost naravnih materialov. Raziskovalci to opremo uporabljamo za različne raziskovalne študije, vključno z uporabo modificiranega ligninina, ki smo ga uporabili kot dodatek pri izdelavi embalaže v kombinaciji s polimeri biolotskega izvora (biopolimeri), ali za pripravo termično obdelanega lesa v kombinaciji s polimeri, ki jih je možno kompostirati.

V laboratoriju imamo tudi opremo za modifikacijo materialov za njihovo uporabo v kompozitnih in drugih izdelkih. Ena od takih je cevna peč, s katero segrevamo naravne materiale pri visokih temperaturah brez prisotnosti kisika, za izdelavo aktivnih materialov z visoko vsebnostjo ogljika.

Aktivacija materiala poveča njihovo reaktivnost in električno prevodnost, kar vodi do številnih zanimivih aplikacij, med njimi so dodajanje takšnih materialov v prst, njihova uporaba za čiščenje vode ter zraka, ter celo uporaba za tiskana elektronska vezja.

V laboratoriju imamo tudi različne reaktorje, ki so zaščiteni z zunanjim ovojem in delujejo na podoben način kot tlačne posode. Uporabljamo jih za številne tehnike modifikacije in ekstrakcije, vključno s fermentacijo, ekstrakcijo bioloških spojin (npr. lignina, polifenolov), čiščenjem medijev, vzgojo zaščitnih celic, gliv itd.

V zadnjo kategorijo opreme, ki jo imamo v tem laboratoriju, pa uvrščamo testirne naprave za spremljanje in preizkušanje kompozitov in drugih materialov. Mednje zagotovo spadata naš hidravlični mehanski testirni stroj ter naprava za pospešeno umetno staranje.

Mehanski testirni stroj je modularen, zelo prilagodljiv sistem, ki ima veliko jeklenih stebrov in nosilcev, s katerimi lahko sestavimo različne oblike za preskušanje mehanskih lastnosti izdelkov, kot npr. velikih stebrov ali nosilcev, stenskih elementov itd. Z dinamičnim obremenjevanjem in statičnimi aktuatorji lahko skoraj poljubno usmerimo delovanje sil na preizkušanec.

Naprava za pospešeno umetno staranje nam omogoča še en način za ocenjevanje odpornosti izdelkov na vplive okolja, kot so sevanje UV, dež, kondenzacija vlage, povišana vlažnost in temperatura (slednji lahko spreminjamo, tudi ciklično).

Ko različne izdelke ali materiale izpostavimo razmeram umetnega pospešenega staranja, lahko ocenimo, kako učinkoviti so novi ali obstoječi postopki njihove obdelave in učinkovitost modifikacije lesa za njegovo zaščito pred abiotskimi vplivi okolja.

Na splošno laboratorij služi kot proizvodni in preskusni objekt za izdelke večjih dimenzij. Ti zahtevajo prostore, ki so bolj podobni industrijskim, in ne klasičnem kemijskem laboratoriju. Delo v tem laboratoriju lahko pomaga pri razvoju novih kompozitnih prototipov, uporabi alternativnih lepil, ki se uporabljajo v kompozitih, potencialni oceni odpornosti izdelka ali materiala proti zunanjim vplivom, pri izdelavi premazov za čiščenje zraka ali celo razvoju mikrobnih kultur in združb, s katerimi lahko pripravimo bioaktivne premaze.