Utilizarea materialelor plastice și a compozitelor polimerice în proiectarea și fabricarea vehiculelor auto reprezintă cea mai bună soluție pentru îndeplinirea reglementărilor stricte ale CE (de a reduce emisia de CO2 sub 75 g/km, pȃnă ȋn 2030) și pentru a răspunde cererii consumatorilor pentru vehicule mai accesibile, mai ușoare și mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil.
Proiectul ECONANO4AUTO oferă o soluție inovatoare și eficientă pentru domeniul specializării inteligente – Energie, mediu și schimbări climatice, și anume reducerea amprentei de CO2 și a acumulărilor de deșeuri polimerice, prin dezvoltarea unei tehnologii noi și inovatoare pentru obținerea de noi nanomocompozite polimerice, ușoare și cu proprietăți termice și mecanice îmbunătățite.
Scopul proiectului îl reprezintă obținerea de nanocompozite bio-polimerice cu proprietăți îmbunătățite, reciclabile, reutilizabile și bio-integrabile la sfârșitul ciclului de viață, pe bază de bio-PA și keratina din pene de pui.
Autoritate contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării
Perioada de implementare: 29/06/2022-21/06/2024
Buget: 598.795 lei
Director de proiect: Dr. Ing. Zina VULUGA
CONSORTIU:
Coordonator:
Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare
pentru Chimie și Petrochimie – ICECHIM București
Director de proiect: Dr. Ing. Zina VULUGA
Partener 1:
Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi moleculare
I N C D T I M
Responsabil partener 1: Dr. Ioan TURCU
Obiectiv General
Proiectul ECONANO4AUTO își propune dezvoltarea unei tehnologii noi și inovatoare pentru obținerea de noi nanomocompozite polimerice pe baza de bio-PA și hibrid keratină/ nanoparticule, ușoare și cu proprietăți termice și mecanice îmbunătățite. Pornind de la bio-PA10,10 de înaltă performanță și deșeuri naturale (pene de pui), proiectul va oferi la final o soluție ecologică, viabilă şi cu costuri reduse pentru utilizarea eficientă a penelor de pui și reducerea impactului asupra poluării mediului.
Etapa I
Dezvoltarea modelului experimental de obținere şi caracterizare a nanocompozitelor pe bază de bio-PA şi bio-umpluturi
Perioada de implementare: 29/06/2022 – 30/12/2022
Activități:
Sumar al progresului
Cercetările efectuate în cadrul etapei I au condus la realizarea unui studiu tehnico-ştiințific privind obţinerea nanocompozitelor cu proprietăți ȋmbunătățite pe bază de bio-PA şi (nano)umpluturi naturale. S-a analizat reducerea impactului asupra poluării mediului prin utilizarea deșeurilor de pene, precum şi riscul utilizării nanoparticulelor și a metodelor de lucru pentru atenuarea impactului asupra siguranței și sănătății. Au fost elaborate conceptele si strategia de lucru privind obținerea de hibrizi keratină/nanoparticule, s-au stabilit metodele de caracterizare, s-a pregătit baza materială şi s-a elaborat modelul experimental de obținere a keratinei din pene de pui și a hibrizilor keratină/nanoparticule. A fost acceptat la evaluare 1 articol trimis spre publicare ȋntr-o revistă ISI şi s-a participat cu 4 lucrări prezentate oral sau sub formă de poster la conferințe naționale/internaționale.
Rezumat executiv
Principala problemă a keratinei, ca de altfel a majorităţii umpluturilor naturale, este stabilitatea termică slabă la temperatura de prelucrare a PA. Obținerea unui hibrid keratină/nanoparticule va contribui la creșterea stabilității termice şi a rezistenței mecanice a keratinei.
Cercetările efectuate ȋn cadrul etapei I au condus la elaborarea modelului experimental de obținere a keratinei din pene şi a hibridului keratină/Halloysite. Keratina a fost extrasă prin hidroliză la temperaturi ridicate (150°C şi 200°C) şi hiodroliză alcalină cu Na2S şi NaOH. Testele preliminare efectuate au demonstrat că, keratinele obținute hidrotermal şi alcalin cu NaOH se caracterizează prin prezența a 2 structuri secundare, α-helix, minoritară şi β-foaie pliată, majoritară, ȋn timp ce keratina obținută cu Na2S prezintă majoritar structura β-foaie pliată. Hibridele keratină/Halloysite, cu stabilitate termică mult ȋmbunătățită față de keratină, s-au obținut atât la pH acid, cât şi la pH bazic. Lucrările vor continua cu ȋncercarea şi a altor metode de extracție a keratinei (de ex. cu lichide ionice) şi vor fi stabilite condițiile optime de obținere a unei interacții puternice la interfața keratină-nanoparticule pentru dispersia uniformă ȋn matricea de bio-PA.
Nanoparticulele de tip silice sau silicați sunt recunoscute în literatura de specialitate ca având citotoxicitate redusă. După determinarea caracteristicilor morfostructurale ale nanomaterialelor de tip Halloysite și Aerosil, acestea au fost testate pe linii celulare umane de tip keratinocite. Acest tip de celule au fost alese pentru că reprezintă un organ cu o intindere foarte mare (pielea), iar dacă ar fi ca aceste nanomateriale să aibă citotoxicitate la acest nivel, atunci este posibil să poată afecta și straturile mai profunde. Din analizele efectuate (biochimice și de morfologie) a reieșit că nanomaterialele utilizate nu prezintă o amenințare pentru linia celulară de tip keratinocite. Însă, în etapele următoare se vor investiga efectele și asupra altor tipuri de celule epiteliale, pentru a determina ce se poate întâmpla dacă nanomaterialele sunt inhalate și ajung în interiorul organismului.
Etapa II
Realizarea, experimentarea şi optimizarea modelului experimental de obținere şi caracterizare a nanocompozitelor pe bază de bio-PA şi bio-umpluturi
Perioada de implementare: 03/01/2023 – 29/12/2023
Activități:
Sumar al progresului
Cercetările efectuate în cadrul etapei II au condus la dezvoltarea şi experimentarea modelului experimental de obținere a (i) cheratinei, a (ii) hibrizilor
cheratină/nanoparticule şi a nanocompozitelor pe bază de bio-PA şi hibrizi cheratină/nanoparticule. S-au obținut mostre de nanocompozite pe bază de bio-PA şi hibrizi cheratină/nanoparticule, ȋn condiții dinamice, prin prelucrare în topitură şi s-a elaborat tehnologia de laborator pentru obținerea de nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi cheratină/nanoparticule. S-au efectuat experimentări de optimizare a tehnologiei elaborate şi de verificare a reproductibilității acesteia şi s-au stabilit condițiile optime de ridicare la scară şi de obținere a unor nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi cheratină/nanoparticule cu proprietăți reproductibile şi ȋmbunătățite față de bio-PA. S-a elaborat un ghid metodologic privind prevenirea riscurilor legate de lucrul cu nanoparticule. A fost publicat 1 articol ȋntr-o revistă ISI, s-a depus la OSIM 1 cerere de brevet de invenție, s-a participat cu 7 lucrări prezentate oral sau sub formă de poster la saloane internaționale de invenție şi inovație şi la conferințe naționale/internaționale şi s-a organizat 1 workshop pentru diseminarea rezultatelor proiectului.
Rezumat executiv
In cadrul acestei etape s-a dezvoltat şi experimentat modelul experimental de obținere a cheratinei şi a hibrizilor cheratină/nanoparticule. Au fost efectuate experimentări de extracţie a cheratinei din penele de pui şi s-a verificat reproductibilitatea extracţiei cheratinei prin metoda hidrotermală şi metoda alcalină. Totodată, s-a ȋncercat extracţia cheratinei prin dizolvare in lichid ionic. Cheratina hidrolizată, obținută fie prin hidroliză termică ȋn două trepte, 1 oră la 150 °C şi 1 oră la 200 °C, fie prin hidroliză alcalină ȋn soluție de sulfură de sodiu 0,5M, 2 ore, la temperatura de 50 °C, fie enzimatică ȋn combinație cu hidroliza alcalină, este sub formă de pulbere cristalină de culoare albă-bej ȋnchis. S-a verificat reproductibilitatea rezultatelor privind obținerea ȋn soluție a hibridului cheratină:HNT şi s-a ȋncercat obținerea hibridului simultan cu extracția cheratinei, precum şi ȋn condiții dinamice. S-au obținut hibride sub formă de pulbere, cu stabilitate termică mult ȋmbunătățită față de cheratină. A fost realizat și testat modelul experimental de obținere a mostrelor de nanocompozite pe bază de bio-PA şi hibrizi cheratină/nanoparticule, ȋn condiții dinamice, prin prelucrare în topitură. S-au efectuat teste de îmbunătățire a dispersiei hibrizilor cheratină/nanoparticule, prin utilizarea unor agenţi de dispersie/compatibilizare, s-au analizat proprietățile termice, mecanice și morfologice ale nanocompozitelor obținute, s-a selectat compoziția optimă și s-a elaborat tehnologia de laborator pentru obținerea de nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi cheratină/nanoparticule. S-a ridicat la scară compoziția selectată şi s-a optimizat tehnologia de obținere folosind metoda de lucru cu concentrat. S-au obținut nanocompozite, cu un conţinut de cheratină de cca 5%, cu proprietăți estetice, termice şi mecanice îmbunătățite față de bio-PA.
Pentru a ȋnțelege care sunt riscurile lucrului cu nanoparticule s-a studiat efectul Halloysite şi Aerosil asupra liniilor celulare pulmonare. Având structuri diferite, nanoparticulele interacționează cu celulele umane normale sau canceroase, diferit. Astfel, nanoparticulele cu formă poligonală-sferică prezintă o suprafață de interacțiune mai mare comparativ cu nanotuburile. Concentrația la care celulele testate în această etapă au fost afectate, a fost mai mare la Aerosil, față de Halloysite, ceea ce reprezintă rezistența celulelor la o cantitate mai mare de nanoparticule de tip Aerosil comparativ cu Halloysite. Analizele biochimice au arătat că la nivel de stres oxidativ, celulele nu sunt afectate. Așadar, dacă nanomaterialele pătrund în celule este posibil ca efectul lor să nu creeze daune și în timp să fie eliminate. Teste suplimentare sunt necesare pentru înțelegerea deplină a efectelor produse la
nivel celular și ultrastructural. S-a elaborat un ghid metodologic privind prevenirea riscurilor legate de lucrul cu nanoparticule în laboratorul de culturi celulare/microbiologie.
Etapa III
Demonstrarea funcționalității și utilității modelului propus pentru obținerea și caracterizarea nanocompozitelor pe bază de bio-PA și bio-umplutură
Perioada de implementare: 03/01/2024 – 21/06/2024
Activități:
Rezultate obţinute
Articole ISI
Ioana Andreea Brezeștean, Daniel Marconi, Alia Colniță, Alexandra Ciorîță, Septimiu Cassian Tripon, Zina Vuluga, Mihai Cosmin Corobea, Nicoleta Elena Dina and Ioan Turcu, Scanning Electron Microscopy and Raman Spectroscopy Characterization of Structural Changes Induced by Thermal Treatment in Innovative Bio-Based Polyamide Nanocomposites, Chemosensors 2023, 11, 28; https://doi.org/10.3390/chemosensors11010028
Cerere de brevet de invenţie
Vuluga Zina, Oancea Florin, Faraon Victor Alexandru, Ghiurea Marius, Teodorescu George Mihail, Ioniţă Andreea, Gabor Augusta Raluca, Nicolae Cristian Andi, Vasilievici Gabriel, Concentrat pentru ȋmbunătăţirea proprietăţilor bio-poliamidei, procedeu de obţinere şi de utilizare a acestuia, A/00630/30.10.2023.
Participari la Conferinte/Simpozioane
Saloane de invenţii şi inovaţii
Organizare Workshop: