Kemian alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa. Tilaisuutta voi seurata Joensuun kampuksella.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Materiaalien toiminnallisia ominaisuuksia voidaan parantaa hyödyntämällä huokoista geometriaa. Huokoinen geometria ja materiaalin kemialliset ominaisuudet mahdollistavat materiaaleja, joilla on monitoiminnallisia ominaisuuksia. Energia- ja katalyysisovelluksissa huokoisuus lisää materiaalin tehokkuutta tarjoamalla enemmän kuljetusreittejä ja suurempia ominaispinta-aloja. Biomateriaaleilla huokoisuus toimii ohjaavana tukirakenteena, kasvualustana, sekä mahdollistaa aineiden kulkeutumista. Lisäksi huokoisuudella voidaan saavuttaa kestäviä ja kevyitä materiaaleja, samalla kun huokoisuus tarjoaa edellä mainittuja ominaisuuksia.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Huokoisia metalleja ja polymeerejä valmistettiin tutkimuksissa ruiskuvalutekniikalla hyödyntämällä tilanvaraajatekniikkaa. Huokoisen metallin huokosverkosto mahdollisti voiteluaineen varastoinnin materiaalin sisälle ja sen kulkeutumisen funktionaaliselle pinnalle. Tämä tuotti itsevoitelevia pintoja, joilla oli kyky ylläpitää matalaa jään adheesiota.
Toisessa tutkimuksessa tätä ominaisuutta vahvistettiin käsittelemällä metallin pintahuokoset hydrofobisella keraamirakenteella. Tämä lisäsi huomattavasti jäätä hylkiviä ominaisuuksia estämällä vettä läpäisemästä huokoista rakennetta, sekä tarjoamalla perustan vakaalle voiteluainekerrokselle. Polymeerien ruiskuvalussa huokoisia rakenteita ei voida valmistaa perinteisellä tilanvaraajatekniikalla, sillä polymeerit estivät tilanvaraajan poistumisen rakenteesta.
Kolmannessa tutkimuksessa tarkasteltiin kaksoistilanvaraajatekniikkaa. Päätilanvaraaja luo huokoisen rakenteen, kun taas sokerialkoholit toimivat toissijaisina tilanvaraajina mahdollistaen poistumiskulkureittejä päätilanvaraajalle. Tutkituista sokerialkoholeista ksylitolilla oli poikkeuksellinen kyky kestää ruiskuvalutapahtuman lämpörasitusta, sekä mahdollistaa täysvaltaisen tilanvaraajien poistumisen rakenteesta. Tämä mahdollistaa huokoisten polymeerien valmistuksen ruiskuvalutekniikassa.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Jään, veden ja lian hylkiminen infrastruktuurirakenteissa, antureissa, tuulivoimaloiden lavoissa, sekä lentokoneiden siivillä on keskeistä turvallisen, luotettavan ja taloudellisen toiminnan varmistamiseksi.
Tutkimuksen lupaavana ratkaisuna ovat itsevoitelevat metallipinnat, joissa materiaalin sisään suunniteltu huokosrakenne mahdollistaa voiteluaineen hallitun vapautumisen ja pinnan hylkimisominaisuuksien ylläpitämisen. Lisäksi kaksoistilanvaraajatekniikassa sokerialkoholin käyttö toissijaisena tilanvaraajana päätilanvaraajan rinnalla mahdollistaa huokoisten polymeerirakenteiden valmistamisen ruiskuvalutekniikalla.
Tutkimustuloksia on alustavasti hyödynnetty myös 3D-tulostuksessa, jossa kaksoistilanvaraajatekniikan soveltaminen tulostusfilamentteihin avaa uusia mahdollisuuksia monimutkaisten, mutta hallittujen huokoisten rakenteiden valmistamiseen lääketieteellisissä ja teknisissä sovelluksissa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Tilanvaraajatekniikka vaikutti ruiskuvalettujen metallikappaleiden sintrausprosessiin ja metallipartikkeleiden väliseen diffuusioon, mikä mahdollisti huokoisten metallirakenteiden valmistamisen. Tilanvaraajan vaikutusta sintrausprosessiin tutkittiin muodostuneesta huokosrakenteesta pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) avulla. Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli selvittää huokoskokojen vaikutusta jään adheesioon, sillä huokosrakenne vaikuttaa voiteluaineen varastoitumiseen, sekä siten itsevoiteluominaisuuksiin.
Muovien tapauksessa sokerialkoholien termistä stabiilisuusuutta on aiemmin tutkittu energianvarastointisovelluksissa, mutta niiden lyhytaikaisesta lämmönkestävyydestä on saatavilla rajallista tietoa. Tässä tutkimuksessa sokerialkoholien termistä käyttäytymistä ja hajoamistuotteita tutkittiin massaspektrometrian avulla. Samalla tutkimus tuotti uutta tietoa sokerialkoholien termisestä stabiilisuudesta.
FM Aleks-Ian Vartiaisen kemian alaan kuuluva väitöskirja Functional applications of injection molded porous metals and polymers (Ruiskuvalettujen huokoisten metallien ja polymeerien toiminnalliset sovellukset) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Joensuun kampuksella. Vastaväittäjänä toimii professori Kari Rissanen, Jyväskylän yliopisto, ja kustoksena professori Mika Suvanto, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on suomi.
Lisätietoja:
Aleks-Ian Vartiainen, [email protected]
