 |
Property Tailored Thermoplastic Nanocomposites via Suspension-Assisted Melt Compounding
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109409 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Karger-Kocsis, József |
| Title in Hungarian |
Hőre lágyuló ütésálló nanokompozitok előállítása ömledékes kompoundálással az adalékok szuszpenzióban való bevitelével |
| Title in English |
Property Tailored Thermoplastic Nanocomposites via Suspension-Assisted Melt Compounding |
| Keywords in Hungarian |
nanokompozit, ömledékes kompaudálás, szerkezet-tulajdonságok összefüggése, merevség/szívósság |
| Keywords in English |
nanocomposites, extrusion melt compaunding, structure-property relationship, stiffness/tougness balance |
| Discipline |
| Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Plastics technology |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Bárány, Tamás
Kmetty, Ákos
Pölöskei, Kornél
Szebényi, Gábor
|
| Starting date |
2014-01-01 |
| Closing date |
2018-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.964 |
| FTE (full time equivalent) |
5.50 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az extruziós ömledékes kompaundálással folyamatosan gyártott nanompozitok igen előnyös mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, ami alól csupán a szívósság kivétel. E projekt célja olyan extruziós technológia kidolgozása, amelynek során mind az erősítő, mind pedig a szívósságnövelő adalékot szuszpenziójukban juttatjuk be az ömledékbe, előidézvén ennek során nanoskálájú diszpergáltságukat. Szívósságnövelő adalékként alkalmas kaucsuklatexek részecskéi szolgálnak. Nanoadalékként túlnyomórészt vízben duzzadó (rétegszilikát), vízben diszpergálható (bömit, nanocellulóz) típusokat alkalmazunk. A szuszpenziós közeget az extrúzió során eltávolítjuk, hacsak ennek nem szánunk egyéb szerepet (pl. feltárás és lágyítás termoplasztikus keményítő (TPS) esetében). Elsődleges célunk a nanokompozitok merevségének, szilárdságának és szívósságának optimalizálása. Ennek érdekében az adalékok (beleértve az erősítő, szívósító adalékot és a szuszpenziós közeget) típusát és mennyiségét célirányosan változtatjuk. A nanokompozitok mátrixaként kizárólag részben kristályos polimereket, mégpedig poliamidot (PA6), polipropilént (PP), TPS-t és politejsavat (PLA), valamint ezek alkalmas keverékeit alkalmazzuk. A nanokompozitok szerkezet-tulajdonság közötti összefüggéseit korszerű módszerekkel tárjuk majd fel és igyekszünk ezen összefüggések általánosítására.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése az, hogy lehet-e olyan hőre lágyuló polimer alapú nanokompozitokat előállítani, amelyek mátrixaikhoz képest egyidejűleg megnövelt merevséggel, szilárdsággal és szívóssággal rendelkeznek, és ha igen, megoldható-e ez egy lépésben folyamatos ömledékes extrúzióval. Kutatási hipotézisünk az, hogy ez a cél elérhető célszerűen kiválasztott erősítő és szívósságnövelő adalékok szuszpenzióban való bevitelével. Az adalékok szuszpenziós közegük eltávolítása után nanoskálájú diszpergáltságra tesznek szert a mátrixban. A szuszpenziós közeget bizonyos esetekben nem is kell eltávolítani (pl. TPS gyártása és módosítása) és ennek a stratégiának megkülönböztetett figyelmet szentelünk a projektmunka során. További célunk annak megállapítása vajon megújuló nyersanyagforrásból származó adalékok (pl. cellulóz, növényi kaucsuk) milyen hatásfokkal veszik fel a versenyt a szintetikusokkal. A kísérleti munka eredményei alapján javaslatot teszünk nanokompozitok azon optimális morfológiájára, amelynek megléte merevség, szilárdság és szívósság tulajdonságegyüttes optimumához köthető. Elvárásunk szerint e morfológia részben kristályos mátrixú nanokompozitokra, vagy legalábbis azok egy csoportjára általános jelleggel bírhat.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás jelentősége kettős. Tudományos szempontból olyan morfológiai modell felállítása, még ha sematikus jelleggel is, amely a műszaki szempontból döntő mechanikai jellemzők optimumával, kompromisszumával jár. Gyakorlati szempontból pedig egy olyan eljárás kidolgozására van remény, amelynek ipari bevezetése könnyen és gyorsan megvalósítható és magában hordozza a nagytömegű gyártás kivitelezését is. A szuszpenziós adalékbejuttatásnak további előnyei is vannak. Száraz állapotú nanoméretű porokkal történő extruziós kompaundálás komoly egészségügyi kockázattal jár, illetve kivitelezése megfelelő védelem megvalósításához kötött. Ez elegánsan megkerülhető a javasolt szuszpenziós adalékolással. A szuszpenzió közegének megválasztásával, esetleg ennek előkezelésére szolgáló módszerek beiktatásával, új lehetőségek nyílnak polimer rendszerek tulajdonságainak módosítására, beleértve ennek a reaktív extrúziót is (ez azonban nem kívánjuk itt részletesebben taglalni).
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nanoméretű adalékokat tartalmazó műanyagok, az ún. nanokompozitok, számos kedvező tulajdonsággal rendelkeznek a kiindulási anyagokhoz, illetve a mikro- és makroméretü adalékokkal módosított változatokhoz képest. Javított tulajdonságok nem szorítkoznak mechanikai jellemzőkre. A nanoadalékolás legfontosabb előnye, és az idevonatkozó kutatás hajtóereje az, hogy általuk a mikro- vagy makroméretű adalékoltságú rendszerek tulajdonságszintje jóval kevesebb anyaggal érhető el. Ez pedig alkalmazásaikban súlycsökkenéssel jár. Nanoadalékok bevitele a szilárdság és merevség javulásával jár. Ezzel egyidejűleg azonban a rideg törésre való hajlam fokozódik. Ez mérnöki szempontból nem kívánatos, s ezért szükséges a nanokompozitok ütésállóságnak, szívósságának növelése. Pontosan erre a célra kívánunk kidolgozni egy olyan technológiát, amely a fenti tulajdonság együttes optimumát szolgálja. A kidolgozandó technológia az adalékok szuszpenzióban való bevitelére irányul extrúziós kompaundálás során. Ez utóbbi technológia, amely az iparban igencsak elterjedt, a garancia arra, hogy az eredmények könnyen és gyorsan átvihetők a gyakorlatba. A technológia egészségre ártalmatlan (szemben a nanoméretű részecskékből álló porok bevitelével). A munka során különös tekintettel vagyunk környezetvédelmi, “zöld” szempontokra. Ez utóbbi azt jelenti, hogy olyan adalékokkal (cellulóz, növényi kaucsuk) és polimerekkel (hőre lágyuló keményítő, politejsav) is dolgozunk, amelyek mind megújuló nyersanyagforrásokból származnak. A várt eredmények alapján ezen “zöld polimerek”, adalékolásuk révén, olyan tulajdonságokra tesznek szert, amelyek révén újabb alkalmazási területeket hódíthatnak meg.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Thermoplastic nanocomposites containing different nanofillers are preferentially produced by melt compounding and possess outstanding mechanical performance except toughness. This project is devoted to develop a novel extrusion melt-compounding method to manufacture tough nanocomposites by introducing both the toughener and reinforcement in suspensions. Toughening occurs via dispersion of “preformed” rubber particles from latex systems. As nanoscale reinforcements water swellable (layered silicates) and dispersible additives (boehmite, cellulose) will be mostly used. The carrier (water and other fluids) of the above additives will be evaporated during extrusion. The use such suspension media for the nanofillers which remain in the polymer and act as plasticizer later on, will also be followed (e.g. thermoplastic starch). Property tailoring targets simultaneously enhanced stiffness, strength and toughness properties. This goal will be achieved by varying the type and amount of the nanofillers and tougheners. As matrices of the nanocomposites only semicrystalline polymers, viz. polyamide, polypropylene, starch and polylactic acid, and their blends will serve. The structure-property relationships of the nanocomposites, produced by compression and injection molding after melt compounding, will be studied by state-of-art techniques.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Basic question of the planned project is to shed light on whether the stiffness, strength and toughness of thermoplastic nanocomposites can be simultaneously enhanced compared to those of the matrix, and if yes, whether it can be achieved in line during extrusion melt compounding. Our hypothesis is that this goal can be reached, in fact, by suspension assisted melt compounding of suitable reinforcing and toughening additives, introduced in their suspensions into the extruder. The additives become nanoscale dispersed in the matrix polymer after evaporation/removal of the carrier suspension fluid. This is not even necessary in some cases (e.g. preparation and modification of TPS) to which peculiar attention will be devoted. A further aim of the project is to compare the efficiency of additives from renewable resources (cellulose, natural rubber) with those of synthetic origins thereby supporting sustainability. Based on the results attempt will be made to deduce a morphology model which is linked with well-balanced stiffness, strength and toughness, desired by engineering use.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The significance of the project is twofold. From scientific point of view the morphology model to be deduced, even when schematic, is of great relevance for the property tailoring of thermoplastic nanocomposites. From practical point of view the suspension assisted melt compounding can be easily and fast implemented in the industrial praxis where extrusion compounding is widely used. Further, it can be easily scaled up upon request. The proposed strategy has further benefits. Incorporation of preformed nanosized particles (e.g. silica), when practiced according to the usual way (i.e. direct feeding), is associated with sever health hazard. This can be circumvented in an elegant way by making use of the suspension technique. Moreover, by suitable selection of suspension fluids, along with their proper pretreatment options, may open a bright horizon for the property modification of polymers via extrusion melt compounding, including its reactive versions (this issue we would like to keep, however, “obscure”).
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Plastics containing nanoscaled fillers and additives, termed to “nanocomposites”, exhibit many beneficial properties over the versions modified with micro- and macroscaled additives. Nanocomposites possess improved properties not only with respect to mechanical but also to other (thermal, fire resistance, barrier) characteristics. The advent of nanocomposites is that the same level of property profile can be achieved with substantially lower amount of nanofillers than by micro- or macroscaled variants. This is associated with density decrease and thus allows lightweight construction for engineering parts. Nanofillers have prominent reinforcing effect. Accordingly their stiffness and strength are improved, however, at cost of the toughness. Therefore it is imperative to enhance the toughness of nanocomposites. This means compromising the stiffness, strength and toughness. Exactly this is the aim of this project. It was proposed that adapting the suspension mediated melt compounding, whereby introducing both reinforcement and toughener from their suspensions, nanocomposites with the required property profile can be produced. The proposed technology has no health hazard by contrast to the direct feeding of dry nanoparticles (e.g. silica) that is widely practiced. Further, the research strategy considers environmental, “green” issues. This occurs by selecting the nanofiller (cellulose), toughener (natural rubber) and polymers to be modified (starch, polylactic acid) – all of them derived from renewable resources. The expected results, i.e. property improvements of the latter “natural” polymers, may contribute to their market penetration and acceptance.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
