Tallinna Tehnikaülikool

Biopolümeeride tehnoloogia labor | Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut

Sisukord

Biopolümeeride tehnoloogia labor

Labori teadustöö peamine fookus on biopõhiste keskkonnaressursside väärindamine igapäevastes ja kõrgtehnoloogilistes rakendustes. Eesmärgiks on jätkusuutlike alternatiivide leidmine fossiilsete maavarade põhistele polümeermaterjalidele ning selleks biopõhiste alternatiivide ning taaskasutatavate materjalide rakendamine.

Laboris otsitakse uudseid võimalusi tselluloosi jätkusuutlikuks väärindamiseks, rakendades uusi, taaskasutatavaid lahustikeskkondi, biopõhiseid keemilise modifitseerimise reagente ja energiasäästliike tehnoloogiaid. Kasutatakse uusi, biopõhiseid või hästi ringlusse võetavaid lahustikeskkondi. Uuritakse looduslike õlide kasutamist tselluloosi esterdamiseks ja sünteesikeskkonnana arendatakse reaktiivse ekstrusiooni tehnoloogiat.

Laboril on ainsana Eestis elektroketruse piloottootmise võimekus. Elektroketrusmeetodil arendatakse tselluloosi derivaatidel põhinevaid triboelektrilisi materjale ja filtermaterjale.

Laboril on Eestis unikaalne piloottootmise võimekus sellistes olulistes polümeeride tehnoloogia valdkondades nagu kuumsegamine, ekstrusioon ja survevalu. Arendatakse termoplastsete ja termoreaktiivsete polümeeride komposiite anorgaaniliste või biopõhiste lisanditega sekundaarse toorme efektiivseks kasutuseks ringmajanduses. Selgitatakse, kas ja kuidas suudavad erinevad mineraalsed jäätmed, nagu elektri- ja õlitootmises tekkivad tuhaliigid komposiitides asendada kaevandatavaid maavarasid nagu lubjakivi. Samuti otsitakse lahendusi tekstiilijäätmete ja lignotselluloossete kiudude suuremamahuliseks ringlussevõtuks.

Tegevusvaldkonnad:

  • õppetöö läbiviimine bakalaureuse-, magistri- ja doktoriõppe tasemel.

  • alus- ja rakendusuuringute läbiviimine polümeermaterjalide, biopolümeeride valdkonnas.

  • tootearenduse, piloteerimise ja katseteenuste pakkumine ettevõtetele.

Võta virtuaaltuuri laboris

Labori liikmed

Biopolümeeride tehnoloogia grupipilt
Biopolümeeride tehnoloogia labori liikmed 2024

Õppetöö

Labor osaleb aktiivselt õppetöös kõigil kolmel kõrghariduse astmel. Olulisim panus õppetöös on polümeermaterjalide, biopolümeeride saamise, omaduste ja töötlemistehnoloogiate selgitamine.

Õppekava annab laiapõhjalise ülevaate ja teadmise olulisematest materjalidest, mis meid igapäevaelus ümbritsevad. Selgitatakse nende materjalide saamist või valmistamist, töötlemist, omadusi ja keskkonnamõjusid. Peale alusteadmiste omandamist on võimalik valida, millisele materjalitehnoloogia suunale enam keskenduda. Polümeermaterjalide (sealhulgas biopolümeeride) saamist ja omadusi tutvustab selles õppekavas õppeaine Polümeermaterjalid ja töötlemist tutvustab õppeaine Plastitehnoloogia.

Tutvu õppekavaga

Rahvusvaheline õppekava võimaldab omandada süvendatud teadmisi erinevate materjalide saamisest, omadustest ja töötlemisest. Õppekaval on tugev tööstustaust ja ning oluline osa õppetööst on praktiliste oskuste omandamine tehnoloogialaborites või ettevõtluses. Õppes keskendutakse enam sellele, kuidas ületada materjalide tootmise ja kasutamise keskkonnaprobleeme ja leida alternatiive fossiilsel toormel põhinevatele materjalidele. Polümeermaterjalide (sealhulgas biopolümeeride) tootmise, töötlemise ja kasutamisega saab süvendatult tutvuda valides Plasti- ja tekstiilitehnoloogia peaeriala. Eriala olulisemad õppeained on Polümeermaterjalid: saamine ja omadused, Biopolümeerid: põhiolemus, tootmine ja kasutamine,Biopolümeeride tehnoloogia, Tselluloosi derivaadid.

Tutvu õppekavaga

Peale magistriõppe läbimist on võimalik kandideerida doktoriõppesse. Doktoriõpe on eriline õppevorm, kus peamine rõhuasetus on doktorandi individuaalsel arengul tulevase teadlase või ettevõtte tippspetsialistina. Seetõttu on auditoorse õppe maht väiksem ja individuaalse uurimistöö osakaal suurem. Doktorant-nooremteadur töötab uurimisrühma täisväärtusliku liikmena ja panustab labori teadus- ja arendustöö eesmärkide saavutamisesse. Doktoritööd on võimalik läbi viia koostöös innovatsiooni panustavate ettevõtetega, selleks on loodud spetsiaalne doktoriõppe vorm, tööstusdoktorantuur.

Tutvu doktoriõppe võimalustega  (Keemia- materjali- ja energiatehnoloogia peaeriala)

Teadus- ja arendustöö

Labori teadus- ja arendustöö olulisemad suunad on:

  • termoplastsed tselluloosi derivaadid asendamaks fossiilsel toormel põhinevaid plaste.

  • reaktiivse ekstrusiooni tehnoloogia.

  • kõrgtehnoloogilised mikro- ja nanokiulised materjalid elektrienergia kogumiseks ja peenosakeste filtratsiooniks.

  • jätkusuutlik plastiringlus, jäätmeplastist ja sekundaarsest mineraalsest või orgaanilisest toormest komposiidid.

  • täielikult biopõhised komposiidid lignotselluloossest toormest.

Olulisemad T&A projektid

  • Temaatiliste teadusja arendustegevuse programm (TemTA) koostöös ettevõtetega Fibenol OÜ, Viru Keemia Grupp ja Scanola Baltic OÜ: „Tselluloosist ja taimsete õlide tootmise kõrvalsaadustest reaktiivse ekstrusiooni teel valmistatud uued biomaterjalid“

  • Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) rahastatud projekt koostöös ettevõttega Skeleton Technologies OÜ: "Täielikult elektrokedratud vastupidav elektrood ja elektrokeemilise kaksikkihi kondensaator kõrgsageduslikeks rakendusteks"

  • Rootsi puidukeemia ettevõtte Södra rahastatud projekt koostöös Rootsi uurimisasutusega RISE "Tselluloosipõhine energia kogumine"

  • Partnerlus Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituudiga: "Uute biopõhiste materjalide arendamine jätkusuutliku polümeeritööstuse jaoks"

  • Ressursside väärindamise alase teadus- ja arendustegevuse toetamise riiklik meede (RESTA)"Tselluloosi keemiline väärindamine ioonsete vedelike keskkonnas"

  • Partnerlus Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudiga: "Uudsed nanoosakestel põhinevad filtermaterjalid ja näomaskid SARS-CoV-2 inaktiveerimiseks"

Uuemad publikatsioonid

2024 

2023

2022

Laboris kaitstud doktoritööd 

  • Siret Malmberg, 2021, (juh) Andres Krumme; Mati Arulepp, Development of electrospun nanostructured electrochemical double-layer capacitor electrodes (Elektrilise kakskihi kondensaatori elektrokedratud nanostruktuursete elektroodide arendus)
  • Kashif Javed, 2019, (juh) Andres Krumme, Electrospinning of nanofibrous composites with cellulose acetate, ionic liquids and graphene oxide (Tselluloosatsetaadi, ioonsete vedelike ja grafeenoksiidi nanokiuliste komposiitide elektroketrus)
  • Tiia Plamus, 2018, (juh) Andres Krumme; Natalja Savest; Urve Kallavus, The Influence of Conductive Additives on the Mechanical Properties of Electrospun Mats (Juhtivate lisandite mõju elektrokedratud nanokiuliste lausmaterjalide mehaanilistele omadustele)
  • Viktoria Vassiljeva, 2017, (juh) Andres Krumme, Electrospinning of a Polymer Membrane Reinforced with Carbon Nanotubes (Süsinik nanotorudega tugevdatud polümeerse membraani elektroketrus)
  • Dmitri Šumigin, 2014, (juh) Andres Krumme; Elvira Tarasova, Composites of Low-Density Polyethylene and Poly(Lactic Acid) with Cellulose and its Derivatives (Madaltiheda polüetüleeni ja polü(piimhappe) koposiidid tselluloosi ning selle derivaatidega)
  • Triinu Poltimäe, 2011, (juh) Andres Krumme; Elvira Tarasova, Thermal Analysis of Crystallization Behaviour of Polyethylene Copolymers and Their Blends (Polüetüleeni kopolümeeride ja nende segude kristallisatsioonikäitumise termiline analüüs)
  • Triin Märtson, 2010, (juh) Andres Krumme; Anti Viikna, Methodology and Equipment for Optical Studies of Fast Crystallizing Polymers (Metoodika ja seade kiirelt kristalluvate polümeeride optilisteks uuringuteks)

Meedias

Andres Krumme, Illia Krasnou,  ERR, Novaator: https://novaator.err.ee/1608955168/teadlased-loodavad-muuta-eesti-puidujaatmedpikaealiseks-plastiks

Andres Krumme, ERR, Mis värvi on majandus: https://jupiter.err.ee/1609180991/mis-varvi-on-majandus

Andres Krumme ERR uudised: https://www.err.ee/1608809641/ttu-teadlased-katsetavad-puidust-bioplasti-tootmise-tehnoloogiaid

Andres Krumme, ERR, Novaator: https://novaator.err.ee/1608501674/eesti-teadlased-hakkavad-tootma-puidust-kilode-kaupabioplasti

Andres Krumme, Kultuurileht Sirp: https://sirp.ee/s1-artiklid/c21-teadus/plastid-probleem-ja-lahendus/

Andres Krumme, Kultuurileht Sirp: https://www.sirp.ee/s1-artiklid/c21-teadus/plastimure/

Katseteenused

Labor teostab polümeermaterjalide füüsikalisi ja keemilisi uuringuid ning tehnoloogilisi katsetusi. Katsete tellimise ja maksumuse üksikasjade osas tuleb ühendust võtta labori juhatajaga andres.krumme@taltech.ee. Labor viib katsetused läbi parimate oskuste piires kuid on antud meetodite osas akrediteerimata ning tulemused on seetõttu seega soovitusliku iseloomuga.

Katsetus/normdokument/meetod

Ühik

Katsetuse kirjeldus

EVS-EN ISO 527 Plastid. Tõmbeomaduste määramine.

MPa, %

Plastide (kiled või survevalu teel valmistatud katsekehad) tõmbetugevuse määramine

EVS-EN ISO 178 Plastics – Determination of flexural properties

MPa

Plastide (survevalu teel valmistatud katsekehad) paindeelastsusmooduli määramine

EVS-EN ISO 11469

Plastid. Plasttoodete üldine identifitseerimine ja markeerimine

tk

Polümeermaterjalide tuvastamine FTIR meetodiga

EVS-EN ISO 1133

Plastid. Termoplastide sulandi massvooluhulga ja mahtvooluhulga määramine

g/10 min

Sulavoolavusindeksi määramine

EVS-EN ISO 11357-1

Plastid. Skaneeriv diferntsiaalkalorimeetria (DSC). Osa 1-3

°C, %

Klaasisiirdetemperatuuri, kristallisatsiooni temperatuuri, sulamistemperatuuri ja kristalsusmäära määramine

EVS-EN ISO 11357-6:2013 Plastics – Differential scanning calorimetry (DSC) – Part 6: Determination of oxidation induction time (isothermal OIT) and oxidation induction temperature (dynamic OIT)

min

Termiline stabiilsus, oksüdatsioonikindlus

ISO 6721-10

Plastics -- Determination of dynamic mechanical properties -- Part 10: Complex shear viscosity using a parallel-plate oscillatory rheometer

Pa·s vs. °C

Pa·s vs. Hz

Kompleksviskoossuse sõltuvus temperatuurist ja sagedusest

Kile valmistaine - laborimeetod

m2

Kile valmistamine puhumismeetodil

Polümeerisegude valmistamine - laborimeetod

kg

Termoplastsete polümeeride segamine / kompaundimine erinevate täiteainetega

EN ISO 1872-2  Plastics - Polyethylene (PE) moulding and extrusion materials - Part 2: Preparation of test specimens and determination of properties

tk

Katsekehade valmistamine tõmbekatsetusteks, paindekatseteks, löögikatsetusteks, tiheduse või reoloogiliste omaduste määramiseks survevalumeetodil

Lausmaterjalide valmistamine - laborimeetod

m2

Nano/mikrokiuliste lausmaterjalide valmistamine elektroketrusmeetodil

Eraldamine - laborimeetod

kg

Lahuste ja segude eraldamine õhukese kile destillatsiooni ja rektifi-katsiooni meetodil

Purustamine - laborimeetod

kg

Polümeermaterjalide purustamine nugapurustis, 0,1 – 1 mm osakesed.

Ajalugu

Polümeermaterjalide alased uuringud omavad Tallinna Tehnikaülikoolis pikka ja väärikat ajalugu. Valdavalt on T&A põhinenud kodumaise toorme väärindamisel. Kui algusaastatel oli uurimisobjektiks keemiatööstuse peamine toore, fossiilset päritolu põlevkivi siis tänapäeval on selleks Eesti olulisim biopõhine toore tselluloos ja teised lignotselluloosse biomassi komponendid. Läbi ajaloo on toimunud ka polümeermaterjalide alane õpe erinevates õppevormides ja erinevatel kõrghariduse astmetel.

Aasta

Sündmus

1958

Tallinna Polütehnilise Instituudi orgaanilise keemia kateedri juurde luuakse polümeeride sünteesi probleemlaboratoorium, kus Hugo Raudsepa juhtimisel uuritakse epoksü- ja polüestervaikude sünteesi põlevkivikeemia toormest lähtuvalt.

1961

Orgaaniliste ainete tehnoloogia kateedri juures õpetatakse põlevkivitehnoloogia, tselluloosi- ja paberitehnoloogia ja plastmasside tehnoloogia eriala.

1965

Polümeeride sünteesi probleemlaboratoorium liidetakse põlevkivikeemia- ja tehnoloogia laboriga, mille tulemusel tekib põlevkivikeemia ja -sünteesi probleemlabor, teaduslik juhendaja Agu Aarna, labori juhataja Karl Kiisler. Uuritakse põlevkivikeemial põhinevaid polükondensatsioonivaike ja uusi konstruktsiooniliime. Uudsed vaigud leiavad rahvusvahelise tuntuse ja saavad ka rahvusvaheliselt patenteeritud.

1992

Tallinna Tehnikaülikooli puidutöötlemise ja kergetööstuse kateedrist, põlevkivikeemia ja -sünteesi probleemlaborist ning orgaanilise ja biokeemia kateedri ühest osast moodustatakse puidu, polümeeride ja tekstiili instituut. Instituudi esimene direktor on Eduard Piiroja. Instituudis on kolm õppetooli: puidutöötlemise õppetool, polümeeride tehnoloogia õppetool ja tekstiilitehnoloogia õppetool. Instituudis õpetatakse materjalide tehnoloogia õppeprogrammide järgi puidu-, tselluloosi- ja paberi-, polümeeride- ja tekstiilitehnoloogiat.

1994

Puidu, polümeeride ja tekstiili instituudist saab polümeermaterjalide instituut. Direktorid 1994-1996 Eduard Piiroja, 1996-2012 Anti Viikna, 2012-2016 Andres Krumme

1997

Polümeermaterjalide instituudi uues põhimääruses sõnastatakse instituudi eesmärgina looduslike ja sünteetiliste polümeermaterjalide keemia ja tehnoloogia õpetamine ja uurimine.

2002

Lõppeb vastuvõtt 5. aastasele diplomiõppekavale ja alustatakse õpet 3. aastase bakalaureuse- ja 2 aastase magistriõppekava järgi. Bakalaureuseõppekava „Materjalitehnoloogia“ on kõikidele instituudi õpptoolidele ühine, kuid sisaldab siiski erialaseid aineid. Magistritasemel „Materjalitehnoloogia“ õppekava sisaldab plastitehnoloogia eriala.

2013

„Materjalitehnoloogia“ magistriõppekava baasil luuakse rahvusvaheline õppekava „Puidu- ja plastitehnoloogia“. 2015 lisandub õppekavale ka tekstiilitehnoloogia peaeriala valik.

2017

Struktuurireformi tõttu liidetakse polümeermaterjalide instituut uude, suuremasse instituuti nimega materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut. Instituudis asutatakse Andres Krumme juhtimisel polümeeride ja tekstiilitehnoloogia labor. Praegusele kujule uuendatakse „Materjalitehnoloogia“ bakalaureuseõppekava.

2023

Polümeeride ja tekstiilitehnoloogia laborist moodustatakse kaks uut laborit: tekstiilitehnoloogia labor Tiia Plamuse juhtimisel ning biopolümeeride tehnoloogia labor Andres Krumme juhtimisel.