În cadrul proiectului s-au realizat materiale nanocompozite pentru modularea reflexiei luminii infraroșii incidente și reglarea temperaturii, prin depunerea unor straturi subțiri conductoare de aluminiu (10-100 nm) cu metoda fizică a vaporizării atomilor de metal cu un laser pe filme de cauciuc polistiren-etilenă-butilenă-polistiren cu grosimi mici (<100 microni), suprafață ~100 cm^2 și densitate <1 g/cm^3. S-a realizat optimizarea metodei de fabricație a probelor nanocompozite conducând la: -scăderea fluxului termic transmis în stare neactuată (calitate reflectivă mai bună a filmului), -creșterea capacității termoreglatoare (creșterea fluxului termic modulat). Au fost fabricate 5 prototipuri de mânecă fără utilizarea de adezivi, prin calandrarea la cald a materialului nanocompozit optimizat cu materiale textile elastice și respirabile. A fost dezvoltat un model matematic care permite estimarea temperaturii mediului la care un individ se simte confortabil, menținându-și o temperatură constantă a pielii, valorile situându-se între 14,0 – 18,1 ℃, un domeniu de temperaturi similar cu hainele fabricate din materiale textile clasice. Prețul de cost estimat se situează între 7,6 – 8,8 Euro/bucată, competitiv pe piața produselor fashion. S-au realizat articole de îmbrăcăminte pe bază de materiale termoreglatoare integrate care modulează un flux de căldură de 21,3 W/m^2 cu o capacitate de reglare a temperaturii de 40 W/m^2 și o respirabilitate foarte bună (15000 g/m^2/zi), prin modificarea dinamică cu actuație mecanică uniaxială a reflexiei luminii infraroșii incidente.
Rezultate în prima etapă (2020)
În cadrul acestei etape au fost fabricate materiale nanocompozite cu capacitatea de adaptare a reflectivității în lumină infraroșie (IR) și termoreglare prin depunerea unor straturi subțiri conductoare de aluminiu sau oxid de zinc dopat cu aluminiu pe suport polimeric sau pe material textil derivat din polimeri comerciali. Depunerea straturilor subtiri (~100 nm) reflective în IR s-a realizat prin metoda fizică a ablației laser pulsate, PLD (Pulsed Laser Deposition). Pentru fabricarea a 10 materiale nanocompozite cu capacități adaptive în infraroșu (IR) și termoreglare s-au utilizat ca suport de creștere al filmului metalic polimeri de tip elastomeric sau flexibil obținuți prin diferite reacții de polimerizare, după cum urmează: elastomeri cu stiren, etilen-vinil acetat, polimeri siliconici prin polimerizare cu deschidere de ciclu urmată de reticulare prin reacții de condensare, hidrosililare sau adiția tiol-enă, și polisulfona. Utilizând tehnici specifice de turnare a polimerilor sub formă de film, precum cea a formării cu racleta pe suport (doctor blading method), au fost obținute filme de polimeri cu grosime mai mică de 100 micrometri, cu o suprafață de aproximativ 100 cm^2 și o densitate de pânaă la 1 g/cm^3. De asemenea, au fost fabricate alte 10 tipuri de materiale nanocompozite cu capacitate adaptivă în IR și de termoreglare prin utilizarea ca suport de cresștere al filmului de Al al unor materiale textile derivate din polimeri comerciali precum poliester, poliester în amestec cu elastan sau spandex, polipropilena, celuloza. Cele mai bune performante în ceea ce privește testarea capacității adaptive în infraroșu și de termoreglare au fost obținute pentru materialele nanocompozite realizate pe bază de bloc copolimeri liniari polistiren-etilenă-butilenă-polistiren, cu termoregulare de 21 W/m^2 pentru o actuație mecanică de până la 50%.
Rezultate în a doua etapă (2021)
Prin realizarea unei etape de optimizare a metodei de fabricație a materialelor nanocompozite au fost ameliorate performanțele de termoregulare obținute atât în ceea ce privește creșterea capacității de termoregulare la actuație maxima de 50%, cât și a creșterii sensibilității acestor compozite manifestată pentru valori relativ mici ale actuației mecanice (de până la 20%). Aceasta a constat în selecția celor mai bune materiale suport de creștere al filmului reflectiv în IR (de polimer sau material textil) și optimizarea proprietăților de depunere prin PLD a stratului subțire de Al sau substituirea acestuia cu un film transparent și conductor de ZnO dopat cu Al. Materialele nanocompozite rezultate prin depunerea de straturi subțiri reflective în IR au fost caracterizate din punctul de vedere al capacității de termoregulare, fluxului total de căldură transmis, proprietăților mecanice (modul Young, alungire la rupere), al interacțiunii cu vaporii de apă prin sorpția dinamică a vaporilor de apă, al compoziției chimice prin cromatografie de permeabilitate cu gel și structural prin difracție de raze X pentru verificarea modificărilor de cristalinitate induse prin depunerea stratului nanometric metalic reflectiv în IR. Astfel, a fost obținut un material nanocompozit cu o capacitate de termoregulare de 40 W/m2. În final, au fost fabricate probe de material textil termoregulator prin calandrarea la cald (fără adaugarea de adezivi) a materialului nanocompozit optimizat cu materiale țesături textile elastice și respirabile.
Rezultatele de interes fundamental obtinuțe în decursul acestui proiect se regăsesc în două articole publicate și unul în curs de evaluare, și în unsprezece prezentări la conferințe. Aspectele care țin de formularea optimă a materialului termoregulator și capacitatea de a oferi comfort termic utilizatorilor fac obiectul unor materiale de diseminare în curs de elaborare.
Rezultate în a treia etapă (2022)
În această etapă au fost fabricate materiale termoreglatoare integrate cu capacitatea de a gestiona fluxul de căldură prin modificarea dinamică a reflectivității în lumina infraroșie (IR) prin acționare mecanică și termoreglare. Materialele au fost produse prin depunerea de straturi conductoare subțiri de aluminiu (<100 nm) pe suport polimeric paternat produs din polimeri comerciali, urmată de calandrare la cald cu țesătură textilă elastică respirabilă. Realizarea unui suport polimeric paternat la scară nanometrică permite modularea unui flux termic mai mare sub formă de radiație IR (21,3 W/m^2) și, respectiv, o respirabilitate bună a materialului (~7500 g/m^2/zi). Depunerea de straturi subțiri de aluminiu (Al) (<100 nm) reflectorizante în IR a fost realizată prin metoda fizică de ablație cu laser pulsată în unghi, PLD (Pulsed Laser Deposition). Zece mostre de material termoreglator integrat au fost fabricate folosind un polimer cu capacitate mare de transport a vaporilor de apă, cu grosimea probelor <200 microni și densitate <1 g/cm^3. Materialele rezultate au fost caracterizate din punct de vedere al capacității de termoreglare, fluxului total de căldură transmis, proprietăților mecanice, interacțiunii cu vaporii de apă. Testarea capacității de termoreglare în infraroșu a fost de 5,5 W/m^2 și fluxul total de căldură de 40 W/m^2 pentru o performanță mecanică de până la 30% pentru un material cu matrice elastomeră bloc copolimer modelată, calandrat cu un material textil.
Prin optimizarea procedurii de fabricație în laborator a materialelor termoreglatoare integrate au fost îmbunătățite performanțele de termoreglare obținute în ceea ce privește creșterea capacității de termoreglare datorată unei acționări mecanice maxime de 50%, precum și respirabilitatea acestor materiale (~15000 g/m^2/zi). ). Aceasta a constat în optimizarea proprietăților de depunere PLD în unghi ale stratului subțire de Al și îmbunătățirea parametrilor de calandrare ai materialului compozit modelat împreună cu materialul textil. Astfel, s-a obţinut un material termoreglator optimizat cu un flux total de >40 W/m^2 şi capacitate de termoreglare >21 W/m^2. Probele de material termoreglator au fost folosite la producerea articolelor de îmbrăcăminte, iar proprietățile termice au fost măsurate cu o cameră video cu infraroșu.
Rezultatele obținute în cadrul proiectului pot fi găsite în patru articole publicate, precum și în trei prezentări la conferințe internaționale în 2022 (și un total de cincisprezece prezentări la evenimente internaționale pe toată durata proiectului).
Lucrări științifice:
- Alina Soroceanu, George T. Stiubianu, Siloxane Matrix MolecularWeight Influences the Properties of Nanocomposites Based on Metal Complexes and Dielectric Elastomer, Materials 2021, 14, 3352. https://doi.org/10.3390/ma14123352 (articol open access).
- George Stiubianu, Cristian Ursu, Codrin Tugui, Adrian Bele, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Carmen Racles, Maria Cazacu, Aurelian Ciobotaru, Energy-Efficient Dynamic Polymer-Based Nanocomposites For Thermal Comfort, International Conference Progress in Organic and Macromolecular Compounds Proceedings (Online,
https://icmpp.ro/macroiasi2021/proceedings.php) 2021, ISSN 2810 – 2347 ISSN – L 2810 – 2126.
- Carmen Racles, Adrian Bele, Ana-Lavinia Vasiliu, Liviu Sacarescu, Emulsion Gels as Precursors for Porous Silicones and All-Polymer Composites – A Proof of Concept Based on Siloxane Stabilizers, Gels 2022, 8, 377. https://doi.org/10.3390/gels8060377
- Mihaela Dascalu, Alexandru‑Constantin Stoica, Adrian Bele, Ana‑Maria Macsim, Alexandra Bargan, Cristian‑Dragos Varganici, George‑Theodor Stiubianu, Carmen Racles, Sergiu Shova, Maria Cazacu, Octakis(Carboxyalkyl‑Thioethyl)Silsesquioxanes and Derived Metal Complexes: Synthesis, Characterization and Catalytic Activity Assessments, J. Inorg. Organomet. Polym. 2022. https://doi.org/10.1007/s10904-022-02408-8
- Daniela Filip, Doina Macocinschi, Mirela-Fernanda Zaltariov, Carmen Anatolia Gafitanu, Cristina Gabriela Tuchilus, Adrian Bele, Bianca-Iulia Ciubotaru, Elena Stoleru, Alexandra Bargan, Mucoadhesive and Antimicrobial Allantoin/β Cyclodextrins-Loaded Carbopol Gels as Scaffolds for Regenerative Medicine, Gels 2022, 8, 416. https://doi.org/10.3390/gels8070416
- Bianca-Iulia Ciubotaru, Mihaela Dascalu, Mirela-Fernanda Zaltariov, Ana-Maria Macsim, Madalin Damoc, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian-Dragos Varganici, Maria Cazacu, Catalyst-free crosslinked sustainable functional silicones by supramolecular interactions, Soft Matter 2022.
Participări la conferințe internaționale:
1. A XXXI-a Editie a Congresului International “Pregatim Viitorul Promovand Excelenta”, Iasi, Univ. Apollonia, 2 Martie 2021 (conferinta online), Bioinspired materials for dynamic thermal comfort and all weather homeostasis, George Stiubianu, Carmen Racles, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Maria Cazacu, https://www.univapollonia.ro/congres_2021_program_pe_sectiuni/
2. #RCS Twitter Conference 2021, 2-3 martie 2021 (conferinta online), Bioinspired Elastomer Materials for Dynamic Control of Infrared Energy Flux, George Stiubianu, #RSCPoster Twitter conference
3. Applied Nanotechnology and Nanoscience International Conference, Montrouge, France, ANNIC2021, 24-26 martie 2021 (conferinta online), Bioinspired Polymer Nanocomposites Providing Scalable Solution for Thermal Management, George Stiubianu, Carmen Racles, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Maria Cazacu, https://premc.org/conferences/annic-nanotechnology-nanoscience/registration/#menu
4. ECRES2021, 9TH European Conference on Renewable Energy Systems, Istanbul, Turkey, 21-23 aprilie 2021 (conferinta online), Bioinspired Polymer Materials For Heating And Cooling Thermal Management Of Buildings, George Stiubianu, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Carmen Racles, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Maria Cazacu, https://www.ecres.net/registration.html
5. EuroNanoForum2021, 5-6 mai 2021 (conferinta online), Conformable Polymer Films Provide Thermal Comfort with Passive Heating and Cooling in Clothing and Buildings, George Stiubianu, Adrian Bele, Cristian Ursu, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Codrin Tugui, Carmen Racles, Maria Cazacu, https://euronanoforum2021.eu/
6. International Conferences and Exhibition on Nanotechnologies, Organic Electronics & Nanomedicine NANOTEXNOLOGY2021, Thessaloniki, Greece, 3-10 iulie 2021 (conferinta format mixt), Self-Actuated Thermal Comfort Clothing with Dielectric Elastomers, George Stiubianu, Codrin Tugui, Adrian Bele, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Cristian Ursu, Carmen Racles, Maria Cazacu, https://www.nanotexnology.com/index.php/call-for-abstracts-home
7. 15th International Conference on Materials Chemistry, Dublin, Ireland, 12-15 iulie 2021 (conferinta online), Bioinspired Nanocomposite Films for Human Comfort Thermal Management, George Stiubianu, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Carmen Racles, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Maria Cazacu, https://www.rsc.org/events/detail/43710/
8. Innovative Approach and Recent Developments in Materials Science & Nanotechnology, American Association for Advances in Functional Materials AAAFM UCLA 2021, 18-20 august 2021 (conferinta online), First-Principles Calculations of the Energy Flux for Bioinspired Personalized Thermal Comfort Wearables, George Stiubianu, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Carmen Racles, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Maria Cazacu, https://aaafm.org/ucla2021/
9. Materials, Methods & Technologies, 23rd International Conference Burgas, Bulgaria, 19-22 august 2021 (conferinta online), Passive Heating and Cooling for Bioinspired Personalized Thermal Comfort in XXIst Century Wearables, George Stiubianu, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Carmen Racles, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Maria Cazacu, https://www.sciencebg.net/en/conferences/materials-methods-and-technologies/
10. 13th International Conference on Physics of Advanced Materials, ICPAM-13, Sant Feliu de Guixols, Spain, 24-30 octombrie 2021 (conferinta participare fizica), Developments in Functional Materials for Energy-Efficient Thermal Comfort, George Stiubianu, Cristian Ursu, Adrian Bele, Codrin Tugui, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Carmen Racles, Maria Cazacu, https://icpam.ro/
11. MACRO Iasi 2021, 7-9 octombrie 2021 (conferinta format mixt), Energy-Efficient Dynamic Polymer-Based Nanocomposites for Thermal Comfort, George Stiubianu, Cristian Ursu, Codrin Tugui, Adrian Bele, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Carmen Racles, Maria Cazacu, Aurelian Ciobotaru, https://www.icmpp.ro/macroiasi2021
12. XXXIIth edition of the International Congress under the slogan “By promoting excellence, we prepare the future” Apollonia, Iasi, 28 Februarie 2022 (online), “Advanced nanocomposite polymer materials for energy-efficient dynamic self-thermal comfort”, George Stiubianu, Cristian Ursu, Mihaela Dascalu, Alexandra Bargan, Adrian Bele, Codrin Tugui, Carmen Racles, Maria Cazacu.
13. 12th International Conference on Materials Science and Engineeering BRAMAT 2022, Brasov, Romania, 9-12 Martie 2022, “Preparation of Bioinspired Thermal Comfort Nanocomposites and Calculation of Heat Flux Using First Principles”, George Stiubianu, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Carmen Racles, Maria Cazacu.
14. INVENTICA 2022, Inventics International Conference, The 26th edition, 22-24 Iunie 2022, Gheorghe Asachi Technical University, Iași, Romania, “Dynamic Dual Mode Materials for Human Thermal Comfort”, George Stiubianu, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Adrian Bele, Codrin Tugui, Cristian Ursu, Carmen Racles, Maria Cazacu.
15. Tenth international conference on Electromechanically Active Polymer (EAP) transducers & artificial muscles, EuroEAP 2022, Chianciano Terme, Italy, 7-9 July 2022, “Bioinspired compliant mechanism valve with low voltage dielectric elastomers”, George Stiubianu, Adrian Bele, Alexandra Bargan, Mihaela Dascalu, Alina Soroceanu, Ana-Maria Macsim, Maria Cazacu.
Cereri de brevet:
Cererea de brevet de invenție nr. A00419/18.07.2022 a fost transmisă la OSIM (Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci) pentru înregistrare împreună cu documentele aferente pentru înregistrarea cererii de brevet intitulate: "Procedeu de obținere a unui material compozit stratificat pentru reglarea confortului termic uman". Solicitarea a fost depusă de membrii echipei de proiect în calitate de inventatori. Aceasta descrie un procedeu de obținere a unui sistem de reglare a confortului termic realizat dintr-un material compozit stratificat format dintr-un strat de polimer și un film reflectorizant paternat pentru radiația infraroșie (IR), calandrat între un strat de material textil și un strat de polietilenă medicală poroasă. Materialul compozit obținut este ieftin, durabil și are capacitatea de a modula un flux de radiație IR de până la 40 W/m^2.
A. Schema etapelor procesului de preparare a materialului termoreglator; B. Configurarea pentru testarea materialului termoreglator pe subiecți umani; C. Comparație în lumină vizibilă și în lumină infraroșie între articole de îmbrăcăminte din material termoreglator.
Tehnologia de fabricare a articolelor de îmbrăcăminte cu reglare termică dinamică dezvoltată pe parcursul etapelor proiectului
