Razvoj biorazgradljive in funkcionalne plastike za produkte dodane vrednosti

 

Šifra | C3330-19-952035
Naziv projekta | RAZVOJ BIORAZGRADLJIVE IN FUNKCIONALNE PLASTIKE ZA PRODUKTE DODANE VREDNOSTI
Nosilka projekta | dr. Klementina Pušnik Črešnar

           

Naložbo sofinancirata Republika Slovenija in Evropska unija iz Evropskega sklada za regionalni razvoj.
Za več informacij obiščite eu-skladi.si

 

Trajanje projekta	01.04.2019 – 31.03.2022
Obseg financiranja	171.684,00 €
Nosilka projekta	dr. Klementina Pušnik Črešnar
Koordinator projekta	Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo Plastika Skaza d.o.o.

 

Povzetek projekta

Proizvodnja polimernih (plastčnih) materialov se je v svetu iz začetnih 1,5 milijona ton povzpela na današnjih 300 milijonov ton in še narašča, zlasti na trgih kot so prehranska industrija, avtomobilska industrija, kmetijstvo, medicina, farmacija, kozmetika, itd. Plastika je bila v prejšnjem stoletju material prihodnosti, danes predstavlja velik okoljski problem. Zato so nujni ukrepi, ne samo posameznikov, ki lahko s pravilnim in ozaveščenim nakupom in ravnanjem plastike odigrajo izjemno vlogo, ampak je gonilo predvsem tudi industrija proizvodnje in predelave polimernih materialov, ki se osredotoča na razvoj proizvodov iz obnovljivih materialov, ki jih je mogoče reciklirati. Zaradi vse strožjih nacionalnih in EU regulativ obstaja tako pri proizvajalcih kot tudi uporabnikih interes v razvoju in uporabi biorazgradljive in kompostljive plastike. Proizvajalci plastike se zavedajo rasti trga in konkurence, zato je trg plastičnih materialov vpijoč trg po inovacijah. Plastika Skaza d.o.o., sodelujoči partner projekta, kot inovativno podjetje sledi smernicam razvoja in z upoštevanjem tako evropske kot nacionalne politike prispeva h kakovosti plastičnih produktov in tako sami konkurenčnosti na trgu.V zadnjih dvajsetih letih se tako v znanosti in tehnologiji razvoj usmeril k proizvodnji funkcionalne plastike. Med funkcionalizacijami so pri razvoju plastičnih materialov atraktivne protimikrobnost, antioksidativnost, antistatičnosti, hidrofilnost/hidrofobnost, mehanske lastnosti, itd. 
V projektu bomo tako osredotočeni na razvoj inovativne bioplastike, ki pa bo sočasno tudi funkcionalna.
Vse strožje nacionalne in EU regulative ter prihajajoče strategije in ukrepi so vodilo predelovalcem plastičnih matrialov kot je podjetje Plastika Skaza d.o.o, k razvoju in uporabi biorazgradljivih (po možnosti kompostljivih) in funckionalnih polimernih materialov. Razumevanje med strukturo in lastnostmi polimerov ter poznavanje delovanje procesov razgradnje materiala v naravi, pospešeno vodi razvoju novih kompozitnih biorazgradljivih plastičnih materialov, ki združujejo tako imenovane plastične lastnosti in omogočajo učinkovito predelavo, uporabnost ter biološko razgradljivost. 
Omenjena problematika povečane uporabe izdelkov iz plastičnih materialov in njihova akumulacija v okolju je povod za razvoj naprednih biorazgradljih plastičnih kompozitov, ki bodo ne samo okoljsko prijazna, temveč z uporabo nanotehnologije tudi tehnološko učinkovitejša, funkcionalna in predstavljajo nov, napreden multifunkcionalen kompozitni material. 
V prvi fazi projekta se bomo osredotočili na razvoj biorazgradljivih polimernih kompozitnh materialov. Plastika Skaza d.o.o. se najbolj poslužuje predelave PP (polipropilen) reciklata, PLA (polimlečna kislina). Polipropilen spada v skupino poliolefinov, ki se množično uporabljajo pri pridelavi medicinskih pripomočkov, pakiranju, avtomobilski industriji, izdelkih za dom, elektronskih napravah. Vzrok za množično uporabo PP materiala tiči v nizki ceni proizvodnje, odličnih mehanskih lastnostih, odpornosti na kemikalije, ima nizko gostoto. Biorazgradljive plastične materiale bomo razvijali na takšen način, da bomo mešanici umetnih polimerov, torej mešanici PP, dodajali naravne polimere v različnih masnih razmerjih, težili bomo k čim višjim dodatkom biopolimerov. 
V drugem delu pa bomo razvitim biorazgradljivim plastičnim materialom z uporabo napredne nanotehnologije, dodali specifično funkcionalnost biorazgradljive plastike. Nanoaditive (organskeg izvora kot tudi anorganskega izvora) bomo dodajali na dva načina; tekom samega postopka ekstruzije ali s tehnikami nanašanja nanodelcev na površino plastike-proces premazovanja, pršenja, tiskanja, itd.. Tako bo plastika ne samo biorazgradljiva, temveč tudi antistatična, protimikrobna, antioksidativna, navsezadnje pa hidrofilna/hidrofobna, odvisno od namembnosti materiala. Velik izziv pri določanju funkcionalnosti plastičnih biorazgradljivih materialov nam povzroča sinegistični izbor nanoaditiov. Namreč želeli bi izbrati takšne nanoaditive, ki bodo doprinesli multifunkcionalnost; to je zadostili posameznim zahtevam antistatičnosti, antimikrobnosti, antioksidativnosti in hidrofilnosti/hidrofobnosti hkrati. 
Povzamemo lahko, da je rezultat ciljne in pametne raziskave novih biorazgradljivih polimernih kompozitnih materialov, ki bi sočasno z dodatki nanoaditivov bili tudi funkcionalni, lahko uporaben produkt dodane vrednosti (nanokompozitni material), s čimer se bo zmanjšal odstotek emisij CO2, predvsem pa bi projekt izkazoval močan ekološki učinek, saj stremi k implementacija koncepta ničelne stopnje odpadkov »zero waste«. Namreč, razviti je potrebno takšno strukturo biorazgradljivih polimernih materialov, da ko bo le ta postala odpadek, jo bodo mikroorganizmi razgradili tako kot, če bi razkrajali naravne materiale, les, lubje, listje. Bistvo projekta je torej, da razvijemo biorazgradljive plastične materiale takšne strukture, ko jih zavržemo, lahko zopet vrnemo v naravni krogotok (recikliranje; kompostiranje). Da lahko razvijemo poleg okoljskega še ekonomično tehnologijo razvoja biorazgradljivih in funkcionalnih polimernih kompozitnih materialov je potrebno poglobljeno razumevanje parametrov procesa kot tudi karakteristik izbranih aditivov ter končnih materialov ter optimizacija le teh s podrobno analizo vpliva specifičnih parametrov procesa in dodatkov na zahtevane lastnosti produkta. 
Tematiko projekta uvrščamo v prednostna področja Strategije pametne specializacije (SPS)-Naravni in tradicionalni viri za prihodnost pod domeno Mreže za prehod v krožno gospodarstvo, pa tudi v segmenta: Pametna mesta in skupnosti ter Razvoj materialov kot končnih produktov. Z razvojem ne samo biorazgradljivih temveč tudi funkcionalnih polimernih materialov želimo vplivati na dvig konkurenčnosti podjetju Plastika Skaza d.o.o. kar bi privedlo do novih delovnih mest in predvsem razbremenilo onesnaževanje okolja in dodalo močan ekološki učinek. Predviden potek projektnega dela je predstavljen na zgornji sliki. 

Projekt bo tako sledil strateškim ciljem SPS/S4 ter se fokusiral na področje pridelave funkcionalnih materialov oz. trajnostnih polimernih kompozitov, napredne embalaže, osnovanje bio materialov in pridelave polimerov in kompozitnih materialov. Pomembno pa je tudi, da je sama proizvodnja biorazgradljive plastike čimbolj okoljsko kot tudi ekonomsko prijazna, kar pa trenutno predstavlja velik izziv podjetja Plastika Skaza d.o.o.

 

SEZNAM PUBLIKACIJ OBJAVLJENIH V SKLOPU PROJEKTA:

• IZVIRNI ZNANSTVENI ČLANEK: 

1.    PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, FRAS ZEMLJIČ, Lidija, SLEMENIK PERŠE, Lidija, BEK, Marko. Effect of wood fiber loading on the chemical and thermo-rheological properties of unrecycled and recycled wood-polymer composites. Applied sciences. 11 Dec. 2020, vol. 10, iss. 24, str. 1-17, ilustr. ISSN 2076-3417. DOI: 10.3390/app10248863. [COBISS.SI-ID 42692611], [JCR, SNIP, WoS do 14. 6. 2021: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 1, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0,25, Scopus do 23. 7. 2021: št. citatov (TC): 3, čistih citatov (CI): 3, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0,75]

2.    BEK, Marko, GONZALEZ-GUTIERREZ, Joamin, KUKLA, Christian, PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, MAROH, Boris, SLEMENIK PERŠE, Lidija. Rheological behaviour of highly filled materials for injection moulding and additive manufacturing: effect of particle material and loading. Applied sciences. 11 Nov. 2020, vol. 10, iss. 22, str. 1-23, ilustr. ISSN 2076-3417. DOI: 10.3390/app10227993. [COBISS.SI-ID 38860291], [JCR, SNIP, WoS do 20. 7. 2021: št. citatov (TC): 3, čistih citatov (CI): 3, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0,50, Scopus do 12. 7. 2021: št. citatov (TC): 4, čistih citatov (CI): 4, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0,67]

3.    PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, FRAS ZEMLJIČ, Lidija, PAPADOPOULOS, Lazaros, TERZOPOULOU, Zoi, ZAMBOULIS, Alexandra, KLONOS, Panagiotis A., BIKIARIS, Dimitrios N., KYRITSIS, Apostolos, PISSIS, Polycarpos. Effects of Ag, ZnO and TiO2TiO2 nanoparticles at low contents on the crystallization, semicrystalline morphology, interfacial phenomena and segmental dynamics of PLA. Materials today communications. Available online 28 February 2021, 102192, 1-44, ilustr. ISSN 2352-4928. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.102192. [COBISS.SI-ID 53381123], [JCR, SNIP]
4.    TARANI, Evangelia, PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, FRAS ZEMLJIČ, Lidija, CHRISSAFIS, Konstantinos, PAPAGEORGIOU, George Z., LAMBROPOULOU, Dimitra A., ZAMBOULIS, Alexandra, BIKIARIS, Dimitrios N., TERZOPOULOU, Zoi. Cold crystallization kinetics and thermal degradation of PLA composites with metal oxide nanofillers. Applied sciences. 27 Mar. 2021, vol. 11, iss. 7, str. 1-18, ilustr. ISSN 2076-3417. DOI: 10.3390/app11073004. [COBISS.SI-ID 57613315], [JCR, SNIP, WoS]

5.    PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, BEK, Marko, LUXBACHER, Thomas, BRUNČKO, Mihael, FRAS ZEMLJIČ, Lidija. Insight into the surface properties of wood fiber-polymer composites. Polymers. May 2021, vol. 13, iss. 10, str. 1-24, ilustr. ISSN 2073-4360. DOI: 10.3390/polym13101535. [COBISS.SI-ID 62964739], [JCR, SNIP, WoS]

6.    PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, AULOVA, Alexandra, BIKIARIS, Dimitrios N., LAMBROPOULOU, Dimitra A., KUZMIČ, Katja, FRAS ZEMLJIČ, Lidija. Incorporation of metal-based nanoadditives into the PLA matrix: effect of surface properties on antibacterial activity and mechanical performance of PLA nanoadditive films. Molecules. July 2021, vol. 26, iss. 14 (4161), str. 1-28, ilustr. ISSN 1420-3049. DOI: 10.3390/molecules26144161. [COBISS.SI-ID 69842179], [JCR, SNIP, WoS]

7.    Klementina Pušnik Črešnar, Panagiotis A. Klonos, Alexandra Zamboulis, Zoi Terzopoulou, Eleftheria Xanthopoulou, Lazaros Papadopoulos, Apostolos Kyritsis, Katja Kuzmič, Lidija Fras Zemljič, Dimitrios N. Bikiaris Structure-Properties Relationships in Renewable Composites Based on Polylactide Filled with Tannin and Kraft Lignin Crystallization and Molecular Mobility Thermochim.ActaPubDate-2021-07-14-DOI : 10.1016/j.tca.2021.178998

 

• ČLANEK POSLAN V RECENZIJO:

Thermal stability and decomposition mechanism of PLA nanocomposites with kraft lignin and tannin
Nina Maria Ainali, Εvangelia Tarani, Alexandra Zamboulis, Klementina Pušnik Črešnar, Lidija Fras Zemljič, Konstantinos Chrissafis, Dimitra A. Lambropoulou, Dimitrios N. Bikiaris * Received: 31 July 2021(POLYMERS)

ČLANEK V PRIPRAVI: 
Creep compliance of wood polymer composite: a comparative study of recycled and neat polypropylene matrix

Marko Bek, Klementina Pušnik Črešnar, Lidija Fras Zemljič

 

• PRISPEVEK NA KONFERENCI: 

1. BEK, Marko, GONZALEZ-GUTIERREZ, Joamin, PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, KUKLA, Christian, MAROH, Boris, SLEMENIK PERŠE, Lidija. The effect of filler materials and particle loading onto rheology of highly filled polymers : presentation at Nordic Rheology Conference Cyberspace, August 25-26, 2020. [COBISS.SI-ID 30224131]

2. PUŠNIK ČREŠNAR, Klementina, BEK, Marko, FRAS ZEMLJIČ, Lidija. Thermoplastics wood-based composites: from FT-IR spectroscopy, thermogravimetric analysis to rheological properties : poster presented at the 6th EPNOE International Polysaccharide Conference, 21st-25th October 2019, Aveiro, Portugal. [COBISS.SI-ID 22731798]