RAPORTUL ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNICRaport ştiinţific şi tehnic – HYBRIDSIM, etapa III-2016 2...

ROMÂNIA MINISTERUL APĂRĂRII NAŢIONALE

CENTRUL DE CERCETARE ŞTIINŢIFICĂ PENTRU APĂRARE CBRN ŞI ECOLOGIE

Nr. A2631/29.11.2016

RAPORTUL ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC

Proiect: „Structuri compozite hibride simulatoare de corp uman utilizate pentru evaluarea impactului dinamic în medii cu potenţial de risc ridicat” (HYBRIDSIM) Contract: PCCA-2013 nr. 307/2014 Etapa III: Tehnologie de laborator pentru sinteza structurilor compozite hibride utilizate ca simulatori ai corpului uman

Bucureşti - 2016 -

APROB Şeful Centrului de Cercetare Ştiinţifică pentru Apărare CBRN şi Ecologie Col.dr.ing. Gabriel EPURE

Raport ştiinţific şi tehnic – HYBRIDSIM, etapa III-2016 2

Cuprins 1. Rezumatul etapei 3 2. Descrierea ştiinţifică şi tehnică a rezultatelor 4 2.1. Testarea și evaluarea intermediară la impact dinamic a modelului experimental

4

2.2. Proiectare tehnologie de laborator 5

2.3. Implementare tehnologie de laborator 6 2.4. Caracterizarea fizico-chimică și mecanică intermediară

a compozitelor hibride rezultate 2.5. Diseminarea rezultatelor

6

19

3. Concluzii 19 4. Rezultate obţinute 20


1. Rezumatul etapei

În cadrul Etapei a III-a a proiectului „Structuri compozite hibride simulatoare de corp uman utilizate pentru evaluarea impactului dinamic în medii cu potenţial de risc ridicat” (HYBRIDSIM), cu titlul „Tehnologie de laborator pentru sinteza structurilor compozite hibride utilizate ca simulatori ai corpului uman”, obiectivele consorţiului au fost planificate şi realizate conform planului de realizare aprobat pentru anul 2016. Activitatea de cercetare a fost distribuită membrilor consorţiului, în funcţie de planul de realizare, specificul şi experienţa anterioară în derularea activităţilor de cercetare. Au fost identificate 5 activităţi principale, conduse de către coordonatorului proiectului (Centrul de Cercetare Ştiinţifică pentru Apărare CBRN şi Ecologie) și având ca parteneri în proiect partenerul 1 (S.C. STIMPEX S.A.) și partenerul 2 (Universitatea POLITEHNICA din București). Aceste activităţi şi concretizarea lor sunt prezentate sintetic în tabelul de mai jos. Nr. crt. Denumire activitate Concretizare

1 3.1 Testarea și evaluarea intermediară la impact dinamic a modelului experimental

1 plan testare 1 raport testare 1 specificație tehnică 1 tehnologie de laborator 1 instalație de sinteză 1 raport de cercetare 1 articol ISI - acceptat 3 participări conferinţe internaţionale

2 3.2 Proiectare tehnologie de laborator 3 3.3 Implementare tehnologie de laborator

4 3.4 Caracterizarea fizico-chimică și mecanică intermediară a compozitelor hibride rezultate

5 3.5 Diseminarea rezultatelor O parte din studiile efectuate în cadrul acestei etape au fost prezentate în cadrul a trei conferinţe şi simpozioane internaţionale, unde au participat oameni de știință cu recunoaștere internațională și reprezentanți ai unor agenți economici, potențiali beneficiari ai rezultatelor cercetării.


2. Descrierea ştiinţifică şi tehnică a rezultatelor 2.1. Testarea și evaluarea intermediară la impact dinamic a modelului experimental

Testarea și evaluarea intermediară la impact dinamic a modelului experimental se referă la comportamentul gelatinei balistice la tragerea cu diverse tipuri de cartușe. Datele experimentale sunt prezentate sintetic în tabelul următor.

Tabel trageri

Numărul de

trageri Tip

gelatină Arma Calibrul Distanța

de tragere

Perforare Viteza

10 Standard Aer

comprimat Gamo

5,5 mm 1,5 m 7,9 cm - diabolo 186

10 Standard Aer

comprimat Gamo

5,5 mm 1,5 m 7,7 cm –diabolo 175

10 Standard Aer

comprimat Gamo

5,5 mm 1,5 m 7,5 cm - diabolo 161

10 M.E. Aer

comprimat Gamo

5,5 mm 1,5 m 7,5 cm - diabolo 161

10 M.E. Aer

comprimat Gamo

5,5 mm 1,5 m 7,5 cm - diabolo 160

10 M.E. Aer

comprimat Gamo

5,5 mm 1,5 m 7,5 cm - diabolo 160

Din tabelul anterior se poate observa faptul că, spre deosebire de gelatina

standard, gelatina model experimental (M.E.) conduce la valori constante ale perforării, parametrul de bază luat în considerare în evaluarea impactului dinamic.

Acest lucru se datorează faptului că această gelatină nu se degradează la temperatura ambiantă, conservându-și proprietățile fizico-mecanice/reologice de bază.


Sistem de achiziție date din timpul tragerilor: cameră de filmare

ultrarapidă, sistem de achiziție viteze, stand de tragere, stand probă, tors gelatină

2.2. Proiectare tehnologie de laborator

Urmare a validării și optimizării metodei de sinteză în cadrul proiectului, coordonatorul proiectului, Centrul de Cercetare Ştiinţifică pentru Apărare CBRN şi Ecologie, și partenerul 1, S.C. STIMPEX S.A., au proiectat tehnologia de laborator valabilă model experimental. Tehnologia de sinteză este valabilă pentru obţinerea de gelatine balistice pentru simulanţi de tors, inimă, plămâni, ficat, rinichi.

În ceea ce priveşte instalaţia pentru sinteză, componentele sunt uşor de întreţinut şi de curăţat, iar montajul se execută cu operaţiuni simple, de maxim doi operatori.

Instalaţia de sinteză poate fi utilizată în spaţii bine ventilate, în condiţii de temperatură cuprinse între +18 și +27 ºC, condiţii restrictive datorate echipamentelor electrice utilizate. Instalația de sinteză operează în flux discontinuu, în șarje de la 2 kg la 20 kg, în funcție de simulantul dorit și cerințele beneficiarului.


2.3. Implementare tehnologie de laborator În cadrul acestei etape, echipa de proiect a S.C. STIMPEX S.A. a realizat

optimizarea spaţiului de lucru și implementarea tehnologiei de laborator pentru metodele de sinteză a simulanţilor de corp uman stabilite în etapa II a proiectului. Tehnologia de laborator implementată constă în:

- Dozarea cu acuratețe a materiilor prime; - Timpul, temperatura de reacție, viteza de omogenizare se mențin în

intervale stricte; - Reacțiile de sinteză respectă normele de securitate și sănătate în muncă.

2.4. Caracterizarea fizico-chimică și mecanică intermediară a

compozitelor hibride rezultate

În conformitate cu planul de realizare, etapa III a presupus din partea partenerului UPB desfășurarea de analize fizico-chimice și mecanice pe eșantioane compozite hibride furnizate de coordonatorul proiectului, Centrul de Cercetare Științifică pentru Apărare CBRN și Ecologie (CO). Aceste eșantioane au fost testate prin comparație cu organe naturale animale (ficat porc). Compoziția probelor furnizate de CO este prezentată în tabelul următor.

Materii prime utilizate pentru sinteza compozitelor hibride

Nr.crt. Apă Gelatină Glutaraldehidă Acid propionic + PDMS

1 90 10 - - 2 85 15 - - 3 80 20 - - 4 89 10 1 - 5 84 15 1 - 6 79 20 1 - 7 88 10 0,5 1,5 8 83 15 0,5 1,5 9 78 20 0,5 1,5 10 87 10 0,5 2,5 11 82 15 0,5 2,5 12 77 20 0,5 2,5 13 89 10 - 1 14 84 15 - 1 15 79 20 - 1 16 88,5 10 0,5 -


Evaluarea modulelor G' si G'' prin teste reologice. Determinarea comportamentului reologic pentru compozitele hibride pe baza de gelatină comparativ cu organe naturale animale.

Reologia este o ramură a științei care studiază relațiile dintre forțele

exterioare (sau tensiuni) și răspunsul corpurilor la acțiunea acestor forțe, exprimat prin deformări sau viteze de deformare.

Reologia se referă la studiul curgerii și deformării materialelor sub acțiunea unor forțe aplicate cu ajutorul unui dispozitiv denumit reometru. Măsurarea proprietăților reologice se aplică multor materiale – de la fluide de tip soluții diluate de polimeri și surfactanți, formulări concentrate de proteine, semi-solide de tip paste și creme la topituri de polimeri sau chiar asfalt. Proprietățile reologice pot fi măsurate cu reometrul mecanic pentru deformarea probelor bloc sau cu viscometru capilar la nivel de micro-scară sau cu tehnici optice, cum ar fi cele microreologice.

Multe materiale și formulări comerciale prezintă proprietăți reologice complexe, iar viscozitatea și visco-elasticitatea depind de condițiile exterioare aplicate, cum ar fi efort, deformare, timp și temperatură.

Probele analizate în această etapă sunt de 2 tipuri: compozite hibride pe bază de gelatină furnizate de coordonatorul proiectului și organe naturale achiziționate de pe piață (ficat de porc). În esență, testele sunt realizate pe materiale de tip hidrogel, fie că vorbim de compozitele hibride, fie de organe naturale.

Corpul uman este un compozit format din diverse materiale capabil să îndeplinească diverse funcții. O parte din aceste materiale sunt lichide cu diferite viscozități sau solide. În realitate, aceste materiale au atât proprietăți de tip lichid, cât și solid (fluid-like și solid-like). Lumea materială aflată între lichide și solide este nelimitată și exploatată de natură pentru a forma fluide complexe și structuri moi cu proprietăți specifice pentru funcții înalt specializate.

Științe ca reologia și biomecanica studiază materiale biologice pentru a gasi relațiile dintre forțe și deformări sau curgeri. În corpul uman, atomii sau moleculele sunt organizate în celule, țesuturi, organe sau organisme individuale. Ca o consecință, forțele, deformările și curgerea își au originea în organisme individuale sau în jurul acestora.

Materialele biologice umane includ țesuturi, organe, plasmă, sânge, piele, ADN, ARN, proteine, celule, mucus, salivă și alte fluide. Câteva caracteristici ale acestora sunt:

- Sunt materiale compozite/hibride având atât componente anorganice, cât și organice;

- Au capacitatea de auto-asamblare; - Sunt fluide complexe sau structuri moi; - Multe din proprietățile lor depind de timp. Prin urmare, testarea proprietăților reologice pentru organe este o idee

foarte interesantă și poate oferi informații utile în realizarea unor compozite natural-sintetice cu proprietăți similare.

Testele reologice au fost realizate cu un reometru de rotație Kinexus Pro Malvern (UPB-APMPG), folosind o unitate de control a temperaturii. În modul oscilant, au fost folosite o placă paralelă și sistemul de măsurare geometric, iar gap-ul a fost setat în funcție de valoarea forței. După ce proba a fost plasată corect în placă, temperatura de lucru a fost stabilită la 25 °C. Frecvența a fost


setată în intervalul 50-0,1 Hz. Modulul de elasticitate (G') și modulul viscos (G'') au fost astfel înregistrate.

Reometru rotațional Kinexus folosit în studiul experimental

Rezultatele pentru compozitele hibride sunt prezentate în figurile de mai

jos. Relația dintre modulul de elasticitate (G') și modulul viscos (G'') poate

reflecta schimbarea de viscozitate și elasticitate între un hidrogel slab și un hidrogel puternic. Când G' este mai mic decât G'', materialul se comportă ca un lichid viscos, iar când G' este mai mare, hidrogelul are un caracter elastic predominant.

Măsurătorile reologice au arătat faptul că hidrogelurile compozite hibride pe bază de gelatină au un comportament predominant elastic la temperatura de 25 ºC. De asemenea, se poate remarca faptul că valorile modulului G' devin practic constante pe intervalul de frecvență 10-0,1 Hz.

Comportamentul elastic și viscos exprimate prin valorile modulelor G' și G'' depind de compozitia hidrogelurilor: compoziția 4 - G'=6,75 kPa, G"=0,12 kPa; compoziția 5 - G'=12,8 kPa, G"=0,14 kPa; compoziția 7 - G'=13,2 kPa, G"=0,14 kPa; compoziția 8 - G'=17,9 kPa, G"=0,16 kPa; compoziția 10 - G'=10 kPa, G"=0,13 kPa; compoziția 13 - G'=21 kPa, G"=0,20 kPa; compoziția 13 - G'=11,2 kPa, G"=0,16 kPa; compoziția 14 - G'=14 kPa, G"=0,25 kPa.


Modul elastic, modul viscos și unghiul de fază în funcție de frecvență

pentru proba 4 - temperatura 23 ºC, domeniul de frecvență 50-0,1 Hz.






Testele reologice pe organe animale au avut în vedere determinarea modulelor elastic și viscos și compararea rezultatelor obținute cu cele pe compozitele hibride cu conținut de gelatină sintetizate în proiect.

A fost ales ca organ reprezentativ ficatul de porc. Au fost pregatite 3 eșantioane de dimensiuni adecvate testului reologic și anume diametru de aproximativ 2 cm și grosime 4 mm. Probele au fost menținute în apă timp de 2 h pentru gonflare și apoi au fost supuse analizei reologice în regim oscilatoriu la 23 °C. Rezultatele sunt evidențiate în figura următoare.

În urma determinărilor reologice se poate constata că valorile celor 2 module elastic și viscos depind de frecvență, spre deosebire de compozitele hibride cu gelatină (unde practic modulele erau constante pe domeniul de frecvență 0,1-10 Hz). Astfel, la o frecvență de 10 Hz, valoarea modului G’ este de 748,7 Pa și G”=201,8 Pa. La frecvența de 1 Hz, valoarea modului G’=605,4Hz și G”=146,5 Hz. Și în acest caz se poate observa că G’>G”, ceea ce înseamnă că ficatul de porc are un comportament elastic predominant (solid-like behaviour). Totuși, putem afirma că în cazul compozitelor hibride cu gelatină, caracterul elastic este mult mai pregnant dacă ne uităm la valorile modulelor G’ pentru probele analizate (un ordin de mărime mai mare comparativ cu ficatul de porc).


Modul elastic, modul viscos și unghiul de fază în funcție de frecvență pentru ficat de porc - temperatura 23 ºC, domeniul de frecvență 50-0,1 Hz.

Măsuratori de unghi de contact pe probe compozite hibride cu gelatină și organe animale (ficat de porc)

Unghiul de contact este o mărime cantitativă a udării unui solid de către un lichid. Este definit geometric ca unghiul format de un lichid la limita celor trei faze de intersecție între lichid, gaz și solid. Acesta este unghiul dintre solid şi tangenta în punctul de intersecție al profilului picăturii cu suprafața solidului.

Valorile mai mici ale unghiului indică împrăștierea lichidului, sau udarea bună, în timp ce valorile mari indică udare slabă. Dacă unghiul este mai mic de 90° se spune că lichidul udă solidul. Dacă unghiul este mai mare 90° se spune că nu se udă. Un unghi de contact zero reprezintă udare completă (figura următoare).

Pregătirea probelor pentru această analiză implică obținerea unor eșantioane cu suprafață netedă și plană. În cazul organelor analizate, această pregătire a fost destul de dificil de îndeplinit.


Suprafețe hidrofile și hidrofobe în funcție de valoarea unghiului de

contact http://www.ramehart.com/contactangle.htm

Aparatul folosit pentru efectuarea analizei este de tip CAM 101 echipat

cu cameră video de achiziție a datelor și imaginilor, KSV (FINLANDA), al Universității Politehnica din București, Facultatea de Chimie Aplicată și Știința Materialelor (figura următoare).

Rezultatele obținute atât pe compozite hibride pe bază de gelatină, cât și pe organe animale, arată o scădere puternică a unghiului de contact în timp (analiza 2 minute, temperatura camerei), valoarea apropiindu-se de zero. Acest lucru poate însemna în mod normal o udare perfectă a suprafeței cu solvent (în acest caz, apa). Probele analizate sunt de tip hidrogel și, prin urmare, acestea au tendința de a absorbi picătura de apă căzută pe suprafață. Devine evident că unghiul va avea o tendință mare de a tinde spre valoarea 0.


Aparat CAM 101 KSV pentru determinarea unghiului de contact

Referințe bibliografice 1. R.B. Bird, C.F. Curtiss, R.C. Armstrong, O. Hassager, Dynamics of Polymeric Liquids, 2, Volume Set (Wiley-Interscience, New York, 1996) 2. R.G. Larson, The Structure and Rheology of Complex Fluids, vol. 2 (Oxford university press, New York, 1999) 3. Corneliu Cincu, Catalin Zaharia, Teodora Zecheru, „Tehnologii de Prelucare a Polimerilor”, Editura Politehnica Press Bucuresti, 2005, ISBN: 973-8449-86-3 4. Jianwei Peng, Dehua Deng, Hai Huang, Qiang Yuan, Jianguo Peng, Influence of superplasticizer on the rheology of fresh cement asphalt paste, Case Studies in Construction Materials, Volume 3, December 2015, Pages 9-18 5. Sylvie Cohen-Addad, Reinhard Höhler, Rheology of foams and highly concentrated emulsions, Current Opinion in Colloid & Interface Science, Volume 19, Issue 6, December 2014, Pages 536-548 6. R. Bhaskar, D. Gong, R. Bansil, S. Pajevic, J.A. Hamilton, B.S. Turner, J.T. LaMont, Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 261(5), G827 (1991)


2.5. Diseminarea rezultatelor

O parte din aspectele studiate în cadrul acestei etape au fost prezentate în cadrul unor manifestări ştiinţifice internaţionale:

1) Lucrare publicată în urma participării la conferință Novel formulations

of ballistic gels for shock wave impact behavior determination, autori: T. Zecheru, L. Haller, C. Său, C. Lăzăroaie, G. Epure, T. Rotariu, în Proceedings of the 19th Seminar on New Trends in Research of Energetic Materials, Pardubice, Czech Republic, April 20–22, 2016.

2) Participare cu posterul Hydrogel nanocomposites based on inorganic clays and silk fibroin for potential tissue engineering applications, autori: I.-C. Radu, C. Zaharia, P.O. Stănescu, E. Vasile, A. Hudita, B. Gălățeanu, C. Andronescu, H. Iovu la IXth ECNP International Conference on Nanostructured Polymers and Nanocomposites, Roma, Italia, 19-21 septembrie 2016.

3) Participare cu posterul Assessment of the bullet impact on a new

ballistic gelatin la International Symposium Priorities of Chemistry for a Sustainable Development, ed. a XII-a, ICECHIM, Bucureşti, România, 27-28 octombrie 2016.

4) Articolul „Novel formulations of ballistic gelatin. 1. Rheological properties” a fost acceptat la revista Forensic Science International, autori: T. Zecheru, C. Sau, C. Lazaroaie, C. Zaharia, T. Rotariu, P.-O. Stanescu – factor de impact 2015: 1,950 – zona roșie, și a fost premiat de către UEFISCDI (PN-III-P1-1.1-PRECISI-2016-11307).

De asemenea, proiectul are actualizată pagina proprie, http://www.nbce.ro/hybridsim.html, unde pot fi vizualizate etapele și rezultatele obţinute prin proiect. 3. Concluzii În urma testării și evaluării de dezvoltare a produsului obținut, valabile pentru modelul experimental sintetizat, s-a proiectat și implementat la agentul economic tehnologia de de sinteză la scară pilot a gelatinelor balistice – valabilă model experimental. De asemenea, pentru produsul aflat la nivel de model experimental s-au efectuat teste în regim dinamic pentru evaluarea impactului, în comparație cu rețeta de gelatină utilizată în prezent.

În etapa următoare se va efectua evaluarea finală a structurilor compozite hibride utilizate ca simulatori ai corpului uman.


4. Rezultate obţinute Din punct de vedere al corelaţiei dintre rezultatele obţinute şi activităţile

etapei III din cadrul proiectului, considerăm că acestea sunt în deplină concordanţă cu obiectivele specifice ale etapei.

Astfel, în perioada de derulare a etapei au fost realizate analize reologice ale compozitelor hibride ce pot fi utilizate ca simulatori ai corpului uman, a fost proiectată de către CO și P1 și implementată la agentul economic, partenerul P1, tehnologia de sinteză la nivel de model experimental, materialele sintetizate au fost supuse unui program de testare şi evaluare de dezvoltare pentru stabilirea comportamentului la impact dinamic, iar rezultatele parțiale obținute au fost diseminate prin trei postere în cadrul unor cunoscute conferinţe şi simpozioane internaționale, și printr-un articol publicat într-o revistă cotată ISI din zona roșie, dar și prin pagina web a proiectului. Director proiect Mr.dr.ing. Ciprian SĂU

RAPORTUL ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNICRaport ştiinţific şi tehnic – HYBRIDSIM, etapa III-2016 2...

Documents

Transcript of RAPORTUL ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNICRaport ştiinţific şi tehnic – HYBRIDSIM, etapa III-2016 2...