Realizujemy wiele projektów i prac badawczych
Proponujemy współpracę w ramach:
Naszą działalność naukową prowadzany w ramach kilku głównych obszarów badawczych:
1. Nowoczesne materiały geopolimerowe, zeolity oraz inne materiały mineralne i ceramiczne – opracowanie receptur, wytwarzanie i prace badawcze
Jednymi z ciekawszych materiałów, które opracowujemy i dla których prowadzimy zaawansowane prace badawcze, są materiały geopolimerowe. Posiadamy znaczące doświadczenie i osiągnięcia w zakresie technologii geopolimerów i spoiw aktywowanych alkalicznie. Badania te realizujemy we współpracy z przedsiębiorstwami, a ich efektem są pierwsze wdrożenia i szereg zgłoszeń patentowych i opisów technologii know-how. Opracowane rozwiązania dotyczą możliwości zagospodarowania surowców poprocesowych z procesów termicznych i odpadów powydobywczych poprzez wytworzenie z nich produktów znajdujących gospodarcze wykorzystanie.
Niezwykle istotne w ostatnich latach są technologie materiałów izolacyjnych o właściwościach niepalnych, mogące zastąpić takie materiały jak styropian czy wełna mineralna. Duże możliwości w tym zakresie daje technologia geopolimerów, która może pozwolić na osiągnięcie wysokich parametrów izolacyjnych przy zachowaniu niepalności w klasie A1. Opracowyjemy geopolimery również pod kątem ich zastosowania….
Geopolimery są amorficznymi materiałami glinokrzemianowymi, które powstają poprzez tzw. „geosyntezę” – reakcję proszku glinokrzemianu w roztworze alkalicznym (reakcja polikondensacji mineralnej). Do ich produkcji można wykorzystać materiały odpadowe, takie jak popioły lotne. Ich struktura jest bardzo zbliżona do naturalnych kamieni, a wyroby przypominają te wykonane z ceramiki lub betonu. Są to jednak materiały innowacyjne, o nowym, ciekawym zestawie właściwości. W porównaniu do tradycyjnych cementów i betonów posiadają one bardzo wiele zalet użytkowych, produkcyjnych i środowiskowych, do których należą:
• wysoka wytrzymałość mechaniczna
• podwyższona kwasoodporność
• podwyższona odporność cieplna
• szybszy początek wiązania
• dostępność surowców i ich niższy koszt
• mniejsze zużycie energii
• wielokrotnie mniejsza emisja CO2
• możliwość immobilizacji toksyn
Możliwość odlewania masy geopolimerowej pozwala na uzyskiwanie wyrobów o skomplikowanych kształtach i dobrej estetyce. W przeciwieństwie do procesu wiązania materiałów ceramicznych, geosynteza i utwardzenie geopolimerów zachodzi w niskich temperaturach, bo już w temperaturach zbliżonych do pokojowych lub nieprzekraczających 100°C. Gotowe wyroby cechuje duża odporność na działanie środowisk agresywnych chemicznie, w szczególności kwasów i jonów siarczanowych. Ponadto geopolimery powstałe z działem popiołów lotnych będących opadem pozyskanym z polskich elektrowni, wykazują dobrą odporność na wpływ wysokiej temperatury. Inną ciekawą zaletą spoiw geopolimerowych jest ich dobra adhezja do stali (siły wiązania są silniejsze niż w przypadku cementu portlandzkiego), co umożliwia zastosowanie prętów stalowych jako bardzo efektywnego zbrojenia.
Geopolimery mogą również służyć jako materiał powłokowy, nanoszony na powierzchnie betonowe, stalowe, ceramiczne czy drewniane. Powłoki te wykazują bardzo dobrą adhezję do podłoża, odporność termiczną, bardzo dobrą odporność na ścieranie oraz na działanie warunków atmosferycznych. Zastosowane we wnętrzach pomieszczeń mogą umożliwić regulowanie w nich wilgotności i wiązać nieprzyjemne zapachy.
Ocenia się, że produkty na bazie geopolimerów będą wykorzystywane już wkrótce na bardzo szeroką skalę m.in. w budowie mostów, dróg, domów a także do stabilizacji niebezpiecznych i radioaktywnych odpadów. Do potencjalnych zastosowań geopolimerów należą m.in.: materiały odporne na wysoką temperaturę, izolacje termiczne, płytki ceramiczne, przedmioty dekoracyjne, różnego rodzaju materiały budowlane, zbiorniki odpadów radioaktywnych i toksycznych, pokrycia stali i inne.
Publikacje:
M. Łach, K. Korniejenko, M. Hebdowska-Krupa, J. Mikuła; The Effect of Additives on the Properties of Metakaolin and Fly Ash Based Geopolymers; doi.org/10.1051/matecconf/201816306005
A. Grela, M. Łach, T. Bajda, J. Mikuła; Characteristics of Sorbent Products Obtained by the Alkaline Activation of Waste from Waste Incineration Plants; doi.org/10.1515/mipo-2017-0015
A. Grela, M. Łach, D. Mierzwiński, T. Bajda, J. Mikuła; Obtaining zeolites from slags and ashes from a waste combustion plant in an autoclave process; doi.org/10.1051/e3sconf/20171700026
M. Łach, J. Mikuła, M. Hebda; Thermal analysis of the by-products of waste combustion; doi.org/10.1007/s10973-016-5512-9
A. Grela, M. Łach, J. Mikuła, M. Hebda; Thermal analysis of the products of alkali activation of fly ash from CFB boilers; doi.org/10.1007/s10973-016-5257-5
A. Grela, M. Hebda, M. Łach, J. Mikuła; Thermal behavior and physical characteristics of synthetic zeolite from CFB-coal fly ash; doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.08.036
M. Łach, K. Korniejenko, J. Mikuła; Thermal Insulation and Thermally Resistant Materials Made of Geopolymer Foams; doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.350
M. Łach, A. Grela, T. Bajda, D. Mierzwiński, N. Komar, J. Mikuła; Production of Zeolite Sorbents from Burning and Co-burning Biomass with Coal; doi.org/10.1051/e3sconf/20184400097
D. Mierzwiński, M. Łach, J. Mikuła, M. Goły; Stabilization of Ash and Slag from Combustion of Medical Waste in the Geopolymers Matrix; doi.org/10.1051/e3sconf/20184400110
A. Grela, M. Łach, D. Mierzwiński, T. Bajda, J. Mikuła; Obtaining zeolites from slags and ashes from a waste combustion plant in an autoclave process; doi.org/10.1051/e3sconf/20171700026
Realizujemy również badania nad syntezą sorbentów i zeolitów z surowców naturalnych i antropogenicznych.
Ponadto:
prowadzimy badania właściwości fizycznych materiałów sypkich, w szczególności popiołów lotnych i żużli oraz minerałów i kruszyw,
opracowujemy nowoczesne receptury wypełniaczy i dodatków do farb i lakierów.
oferujemy badanie powłok lakierniczych i farb w zakresie m.in.: odporności na uderzenia, odporności na odrywanie, odporności na ścieranie oraz odporności korozyjnej.
realizujemy badania materiałów budowlanych, kompozytów i ceramiki w zakresie: badań wytrzymałościowych, badań ognioodporności i odporności na erozyjne działanie ognia, odporności na ścieranie itp.
2. Przetwórstwo pierwotne i wtórne tworzyw sztucznych oraz nowoczesne tworzywa i kompozyty polimerowe
Ten obszar badawczy dotyczy przede wszystkim modyfikacji termoplastycznych tworzyw sztucznych, wytwarzania i badania nowych kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami lub mikrocząstkami, w tym kompozytów hybrydowych, oraz przetwórstwa tworzyw sztucznych.
Opracowujemy kompozycje polimerowe i kompozyty na bazie tworzyw termoplastycznych. Prowadzimy badania nad modyfikacją materiałów polimerowych w celu:
poprawy różnorodnych właściwości użytkowych (w tym mechanicznych oraz termiczno-mechanicznych),
polepszenia właściwości przetwórczych i poprawy parametrów procesu produkcyjnego,
opracowania nowych kompozycji polimerowych w miejsce materiałów tradycyjnych, w celu redukcji masy wyrobu, poprawy estetyki i funkcjonalności, poprawy wskaźników środowiskowych i bezpieczeństwa użytkowania,
zwiększenia trwałości czy sterowania czasem rozkładu tworzyw.
Kierunki badań obieramy z uwzględnieniem założeń polityki zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska. Istotna część naszych badań i projektów naukowych skupia się na materiałach inżynierskich pozyskiwanych z surowców odnawialnych i materiałach biodegradowalnych oraz na biokompozytach, szczególnie biokompozytach konstrukcyjnych. Testujemy możliwość technicznego wykorzystania różnorodnych nowych włókien i napełniaczy naturalnych jako wzmocnienia materiałów polimerowych. Zajmujemy się również badaniami nad recyklingiem tworzyw sztucznych, analizujemy możliwością uszlachetniania recyklatów oraz poprawy ich przetwarzalności.
Biokompozyty są kompozytami polimerowymi, w których przynajmniej jeden z komponentów (osnowa, napełniacz) jest biopochodny lub biodegradowalny. Materiały biopochodne otrzymywane są z odnawialnych surowców – głównie roślinnych (z biomasy) i należą do nich zarówno materiały naturalne (np. drewno, skrobia, celuloza) jak i syntetyczne. Biopochodność i biodegradowalność nie są tożsamymi pojęciami. Można wymienić wiele niebiodegradowalnych tworzyw otrzymywanych z surowców odnawialnych (np. biopoliamidy, biopolietyleny). Istnieją również biopolimery, które ulegają biodegradacji, choć nie otrzymano ich z biomasy (np. PBS).
Do najbardziej rozwijanych biokompozytów należą te wzmacniane włóknami naturalnymi (kompozyty NFC – ang. Natural Fiber Composites) lub mączką drzewną i innymi napełniaczami drzewnymi lub pokrewnymi (kompozyty WPC – ang. Wood Plastic Composite). Mogą one stanowić zamiennik nie tylko drewna, ale też tradycyjnych kompozytów polimerowych, stosowanych w różnych branżach przemysłu (szczególnie w warunkach suchych), m.in. w motoryzacji, budownictwie i meblarstwie.
Kompozyty całkowicie biopochodne i kompostowalne są bardzo ciekawą propozycją dla przemysłu opakowań i wyrobów o krótkim cyklu życia, choć istnieją też przykłady biodegradowalnych kompozytów konstrukcyjnych.
Osobną grupę biokompozytów stanowią materiały o osnowie niebiodegradowalnej, ale biopochodnej. Możliwe jest wzmocnienie ich za pomocą tradycyjnych napełniaczy (np.: włókna szklane, węglowe, cząstki mineralne), ciekawą propozycją jest też dodatek włókien bazaltowych – nowego napełniacza tworzyw termoplastycznych. Materiały te stanowią ekologiczny zamiennik kompozytów bazujących na surowcach petrochemicznych, a co niezwykle istotne, mogą posiadać szereg nowych, korzystnych cech użytkowych.
Publikacje:
Kuciel S., Kuźniar P., Jakubowska P., 2016, Properties of composites based on polyamide 10.10 reinforced with carbon fibers, Polimery. T. 61, nr 2, s. 106-112
Liber-Knec A., Kuzniar P., Kuciel S., 2015, Accelerated Fatigue Testing of Biodegradable Composites with Flax Fibers, Journal of Polymers and the Environment 23(3), pp. 297-321,
Kuciel S., Jakubowska P., Kuźniar P., 2014, A study on the mechanical properties and the influence of water uptake and temperature on biocomposites based on polyethylene from renewable sources, Composites Part B, 64, pp. 72 – 77
Kuciel S., Rydarowski H. (red), Biokompozyty z surowców odnawialnych, Kraków, 2012
Kuciel S., Kuźniar P., Mikuła J., Liber-Kneć A., 2012, Mineral microparticles and wood flour as fillers of different biocomposites, Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 4: 475-480.
Kuciel S., Kuźniar P., Liber-Kneć A., 2012, Polyamides from renewable sources as matrices of short fiber reinforced biocomposites, Polimery, 9:627-634.
Kuźniar P., Kuciel S., 2010, Bogucki R., Biokompozyty na osnowie PHB z włóknami pokrzywy lub włosiem końskim, Przemysł Chemiczny, 9:1632-1635
Mamy możliwość prowadzenia szeroko pojętych badań fizyko-mechanicznych materiałów polimerowych i oceny ich mikrostruktury. Badamy też stosowane w medycynie biomateriały polimerowe. Prowadzimy też badania i ekspertyzy dotyczące kompozytów o osnowach utwardzalnych wzmocnionych włóknem długim.
3. Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych metali i stopów technicznych
Zajmujemy się szeroko rozumianą inżynierią materiałową metali i ich stopów. Prowadzimy prace badawcze w zakresie ich przetwarzania poprzez zastosowanie technologii przeróbki plastycznej i cieplnej.
Posiadamy doświadczenie w zakresie kształtowania mikrostruktury i własności stopów w oparciu o procesy rozdrobnienia mikrostruktury jak również wytwarzania struktur wielofazowych.
Do istotnych zagadnień realizowanych w ramach tego obszaru badawczego należą:
zastosowanie technik intensywnych odkształceń plastycznych do kształtowania ultra drobnokrystalicznej oraz nanometrycznej struktury,
analiza procesów wydzieleniowych zachodzących w stopach aluminium poddanych intensywnym odkształceniom plastycznym,
kształtowanie wielofazowej mikrostruktury w niskowęglowych stalach spawalnych przeznaczonych dla przemysłu motoryzacyjnego i stoczniowego (stale typu DP, CP oraz HSLA).
kształtowanie struktury i własności mechanicznych stopów lekkich (stopy aluminium, tytanu i magnezu).
analiza struktury oraz własności złącz dyfuzyjnych.
obróbka cieplna i cieplno-chemiczna stali
Niskowęglowe stale spawalne stanowią nowoczesna grupę materiałów przeznaczonych na odpowiedzialne konstrukcje. Znajdują one szeroko zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym oraz stoczniowym. Stale typu DP (dual phase) oraz CP (complex phase) są obecnie najpowszechniej stosowana grupa materiałów w przemyśle motoryzacyjnym z przeznaczeniami na odpowiedzialne elementy konstrukcyjne oraz karoserię. Odpowiednie sterowanie mikrostrukturą pozwala na uzyskanie wysokiej wytrzymałości połączonej z bardzo dobra ciągliwością.
Specyficzna grupą materiałów są stale przeznaczone na spawalne blachy grube wykorzystywane w konstrukcjach morskich. Stale konstrukcyjne przeznaczone do budowy okrętów marynarki wojennej takich jak lotniskowce, niszczyciele czy okręty podwodne muszą spełniać rygorystyczne wymagania. Stale HSLA + Cu należą do nowej generacji materiałów, w których ścisłej kontroli podlega skład chemiczny, wymagana jest wysoka czystość metalurgiczna oraz poddawane są one regulowanej obróbce cieplno–plastycznej. Zastosowanie dodatku miedzi pozwala na uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych, wysokiej ciągliwości i odporności na pękanie.
Techniki intensywnych odkształceń plastycznych (Severe Plastic Deformation – SPD), stanowią nowoczesną metodę rozdrabniania makrostruktury. W porównaniu z tradycyjnymi metodami przetwarzania, pozwalają na rozdrabniania mikrostruktury do wielkości nanometrycznej w materiałach litych. Techniki intensywnych odkształceń plastycznych, rozwijane od końca XX wieku, polegają na zadawaniu bardzo dużych deformacji plastycznych w zakresie temperatur poniżej temperatury rekrystalizacji. Spośród wielu technik uzyskiwania intensywnych odkształceń plastycznych najczęściej stosowane to wyciskanie przez kanał kątowy (Equal Channel Angular Pressing – ECAP), akumulacyjne walcowanie pakietowe (Accumulative Roll Bonding – ARB, skręcanie pod wysokim ciśnieniem (High Press Torsion – HPT).
Publikacje:
– Miernik K., Rozwój stali konstrukcyjnych typu DP – Development of Dual-Phase structural steels; rozdział w monografii: Rozwiązania proekologiczne w zakresie produkcji: ekoinnowacje w procesie produkcyjnym: praca zbiorowa. T. 2 / pod red. Janusza Mikuły; Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. – Kraków: Wydaw. PK, 2014. – S. 99-109,
– K. Miernik, S. Pytel, Microstructure and mechanical properties of dual-phase steel – Mikrostruktura i własności mechaniczne stali dwufazowej, Archives of Metallurgy and Materials. – 2014, Vol. 59, Iss. 4, s. 1263-1267,
– Bogucki, R. Pytel, S. M. “Influence of molybdenum addition on mechanical properties of low carbon HSLA-100 steel” 2014, Archives of Metallurgy and Materials Vol. 59, Iss. 3, pp. 859-864,
– Bogucki, R. Pytel, S. M. “The forming of high mechanical properties of low carbon copper bearing structural steel” 2010, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 55 (1), pp. 239-246.
– Koprowski, P.; Bogucki, R.; Bieda, M.; Kawałko, J.; Sztwiertnia, K. “Thermal stability of AA1050 aluminium alloy after equal channel angular pressing” 2017, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 62, Iss. 2, pp. 777-786,
– Bogucki, R.; Sulikowska, K.; Bieda, M.; Ostachowski, P.; Sztwiertnia, K. “Analysis of microstructure and mechanical properties changes in AA1050 aluminium subjected to ECAP and KoBo processes” 2015, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 60, Iss. 4, pp. 3051-3056.
– Bogucka Joanna; Bogucki Rafał, „Metody intensywnych odkształceń plastycznych jako alternatywa dla tradycyjnych metod kształtowania wysokich właściwości mechanicznych” rozdział w monografii: Rozwiązania proekologiczne w zakresie produkcji: ekoinnowacje w procesie produkcyjnym: praca zbiorowa. T. 2 / pod red. Janusza Mikuły; Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. – Kraków: Wydaw. PK, 2014. – S. 141-157.
4. Metalurgia proszków
Realizujemy zadania badawcze związane z metalurgią proszków i kompozytów metalowych. W zakresie naszych zainteresowań badawczych znajdują się zagadnienia dotyczące konsolidacji proszków metali i niemetali, w tym stopowanie mechaniczne, procesy zagęszczania i spiekania w szerokim zakresie temperatur i atmosfer. Posiadamy doświadczenie w zakresie doboru materiałów proszkowych i parametrów technologicznych do zastosowań, szczególnie w branży narzędziowej, motoryzacyjnej i aparatury chemicznej.
Ponadto w ramach tego obszaru oferujemy:
stopowanie mechaniczne, analizy materiałów sypkich w zakresie gęstości nasypowej, sypkości czy analizy sitowej i piknometrycznej,
zgęszczanie materiałów sypkich w sztywnych matrycach i badanie towarzyszących temu mechanizmów,
spiekanie w atmosferach redukujących i obojętnych,
szeroki zakres badań materiałów spiekanych.
Metalurgia proszków skupia się na wytwarzaniu wyrobów ze sproszkowanych metali lub stopów. Technika ta rozwijana jest od kilkudziesięciu lat. Jej specyfika pozwala na wykonywanie wyrobów o szczególnych wymaganiach, których czasami nie można wykonać innymi metodami. Dobrym przykładem bezkonkurencyjnych produktów są wszelkiego rodzaju porowate filtry, czy łożyska ślizgowe. Innymi cechami wyróżniającymi tę metodę jest brak konieczności późniejszej obróbki wyrobu. Własności i struktura materiału są porównywalne z materiałem litym. Wyroby charakteryzują się porowatością, której jest spowodowana charakterystyką metody produkcji. Można ją wyeliminować przez późniejszą infiltrację wyrobów. Własności mechaniczne są porównywalne z własnościami materiałów litych.
5. Analiza termiczna
Nowoczesne technologie ściśle związane z inżynierią materiałową wymagają nowoczesnej aparatury, która szybko i jednoznacznie określi zalety materiału lub będzie w stanie wykazać jego podstawowe właściwości, a nawet niedoskonałości. Analiza termiczna to właśnie ten obszar nauki, gdzie posiadając nowoczesną aparaturę jesteśmy w stanie określić zmiany wymiarowe czy strukturalne materiałów w funkcji temperatury.
W ramach tego obszaru prowadzimy prace badawcze wykorzystując posiadany nowoczesny sprzęt, w tym:
kalorymetr z termograwimetrią i spektroskop masowy – możliwy równoczesny pomiar DSC + TG + QMS lub DTA + TG +QMS
analizator termomechaniczny – umożliwia analizę termomechaniczną oraz testy dylatometryczne.
Analiza termiczna definiowana jest jako zespół metod badania zmian wybranych właściwości fizycznych substancji pod wpływem działania temperatury. W zależności od metody zmianie może ulegać również środowisko otaczające badaną próbkę (tj. skład chemiczny atmosfery, ciśnienie), próbka może być dodatkowo poddawana działaniu różnych czynników chemicznych (chemicznie aktywna atmosfera) lub fizycznych (czynniki mechaniczne, działanie pól elektrycznych czy magnetycznych). Oznacza to, że metody analizy termicznej umożliwiają określanie zmian stanu badanej substancji wraz ze zmianą temperatury w różnych warunkach pomiarowych.
