 |
Multifunctional Bio-based Hybrid Thermosets: Synthesis, Characterization and Potential Use in Composites
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
114547 |
| Type |
SNN |
| Principal investigator |
Karger-Kocsis, József |
| Title in Hungarian |
Multifunkcionális bio-alapú hibridgyanták: Előállításuk, jellemzésük és potenciális alkalmazásuk kompozitokban |
| Title in English |
Multifunctional Bio-based Hybrid Thermosets: Synthesis, Characterization and Potential Use in Composites |
| Keywords in Hungarian |
multifunkcionális polimer, bio-alapú polimer, öngyógyulás, alakemlékezés, határfázis kompozitokban, Diels-Alder reakció |
| Keywords in English |
multifunctional material, bio-based polymer, self-healing, shape memory, interphase, Diels-Alder reaction |
| Discipline |
| Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 55 % | | Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences) | 35 % | | Ortelius classification: Plastics technology | | Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Macromolecular chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Morlin, Bálint
Szebényi, Gábor
Toldy, Andrea
|
| Starting date |
2015-04-01 |
| Closing date |
2018-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
31.712 |
| FTE (full time equivalent) |
3.65 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
E közös projekt célja új típusú, bio-alapú hibridgyanták kifejlesztése és beható vizsgálatuk, beleértve potenciális alkalmazásukat is újgenerációs kompozitok terén. A gyanták öngyógyuló és alakemlékező képességgel, valamint ezek kombinációjával rendelkeznek. Az öngyógyulást termoreverzibilis Diels-Alder (DA) reakció révén biztosítjuk alkalmasan kialakított furán és maleimid funkciós csoportok között. Az alakemlékezésre az üvegesedési hőmérséklet (Tg) adta lehetőség szolgál. Gyanta hibridizációval érjük azt el, hogy a gyanta olyan térhálósűrűséggel rendelkezzék, amely lehetővé teszi az alakemlékezéssel párosított öngyógyulást. Az öngyógyulás létrejöttét törésmechanika alapokon vizsgálnánk. Gyanta-hibridizációra bezoxazin/epoxi társítást használunk. A benzoxazin szintézise, valamint az epoxigyanták kiválasztása során arra törekszünk, hogy bio-alapú anyagtartalmuk a lehető legmagasabb legyen. A furán, ill. maleimid funkciós csoportokat vagy a benzoxazin, vagy pedig az epoxigyanta tartalmazza. Az ismételten előidézett öngyógyulás mértékének javítására a DA reakcióban részt venni képes „szabad” funkciós csoportú szegmensek beépítését javasoljuk. Mivel polimer kompozitok tönkremenetele az erősítőszál/mátrix határrétegben történik, az öngyógyuló funkció alkalmazhatóságát itt vizsgáljuk. Üvegszál felületét úgy módosítjuk, hogy a mátrixszal termoreverzibilis DA-reakcióra legyen képes. A határréteg öngyógyulását az egyedi szálas kompozitokra használatos csepplehúzó módszerrel vizsgáljuk. A tudomány jelenlegi állásáshoz képest előrelépést várunk azon munkahipotézisünktől, hogy a DA reakcióra képes funkciós csoportok számát a gyanta oldaláról a fentebb említett módon megnöveljük.
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 lehetőség van-e olyan hőre keményedő gyantarendszerek kifejlesztésére, amelyek összetevői megújuló anyagforrásokból származnak (bio-alapúak) és több funkcióval (jelen esetben öngyógyulás és alakemlékezés) rendelkeznek. További célkitűzésünk annak eldöntésre, hogy a fentebbi funkciók milyen mértékben járulhatnak ahhoz hozzá, hogy új generációs, hőre keményedő gyanta mátrixú, intelligens kompozitok jelenjenek meg a jövőben. Minderre egy igencsak célravezető koncepciót, kellő részletességgel mutattunk be.
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 jelentőségét több szempont figyelembevételével kell értékelni. A polimer kutatás aktuális célja (multi)funkcionális anyagok fejlesztése. Projektünk ebbe az irányzatba illeszkedik öngyógyuló és alakemlékező rendszerek kifejlesztésével. Másik aktuális trend a polimerek szintézise megújuló nyersanyagforrások felhasználásával. Javaslatunk ezt is messzemenően figyelembe veszi, mégpedig egy olyan úton (benzoxazin kémia), amelyet eddig nem tanulmányoztak. A tervbe vett gyanta hibridizáció igen alkalmas a vonatkozó hőre keményedő rendszerek tulajdonságainak (mechanikai és funkcionális) beállítására. Amennyiben az elvárt eredmények átvihetők polimer kompozitokra (amelyet szintén behatóan vizsgálunk), akkor lehetőség lesz „intelligens” polimer kompozitok kialakítására. Az „intelligens” jelző a kompozitok, ill. mátrixanyaguk funkcionális jellegére (öngyógyulás, alakemlékezés és ezek kombinációja) utal.
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 szlovén és magyar kutatócsoport szakértelmét, tapasztalatát messzemenően figyelembevevő kutatási terv célja olyan hőre keményedő gyanták kifejlesztése és vizsgálata, beleértve, potenciális alkalmazásukat is, amelyek funkcionális sajátságokkal (öngyógyulás, alakemlékezés és ezek kombinációja) rendelkeznek és jelentős hányadukban megújuló nyersanyagforrásokból (azaz „bio-alapúak”) származnak. Az öngyógyulást egy termikusan aktiválható reakció idézi elő, amelynek kihasználása reciklizációjukat is elősegítheti. A kutatás várt eredményei nagyban hozzájárulhatnak ahhoz, hogy anyagaink újabb „intelligens” polimerekkel és kompozitjaikkal jelenjenek meg. Intelligens anyagok alatt azokat értjük, amelyek egy külső körülmény hatására tulajdonságaik, beleértve alakjukat is, megváltozásával reagálnak. Esetünkben alakemlékezésről és öngyógyulásról van szó. Ez utóbbi célirányos létrehozása az erősítőanyag és a befoglaló mátrix között újgenerációs társított rendszerek megjelenéséhez vezethet, amelyek élettartama és így használati értékük jelentősen megnövelt. Mindez összhangban van a fenntartható fejlődés anyagokra vonatkozó követelményeivel.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
This common project is aimed at developing novel, bio-based thermoset hybrid resins and check their potential in advanced composites. The functional properties targeted are self-healing (SH), shape memory (SM), and their combination, i.e. shape memory-assisted self-healing (SMASH). SH is achieved by triggering thermoreversible Diels-Alder (DA) reactions between furan and maleimide groups. For SM performance the glass transition temperature (Tg) of the hybrids will be used as switch temperature during temporary shaping. Novelties with the thermosets are given by their hybridization and bio-based contents. The „hybridizing” components are epoxy and benzoxazine resins which are co-reactive. To trigger the DA reaction, one of the components is bearing furan, while the other the maleimide functionalities. Recall that attention is paid to synthesize and/or use bio-based compounds and components for the hybrids. Because repeated retro-DA followed by DA adduct formation (working principle of SH) is accompanied with diminishing healing efficiency, a new concept (dangling chain with functional groups) will be followed. SH will be assessed in fracture mechanical tests. SM will be characterized by the state-of-art protocols, also in repeated tests. SMASH will be studied in suitable fracture mechanical tests. A further major aim of this project, exploiting the complimentary expertise of the partners, is to transfer the results for a mendable interphase in polymer composites. Engineering of thermally mendable interphase, based on DA reaction, studied on single fiber microcomposites, would open a new horizon in the production of the next generation composites with thermoset matrices.
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.
Major question of this common project, which considers the competences of the partners involved, is: is any possibility to develop such thermoset resins the basic components of which are derived from renewable resources (i.e. meeting the requirements of bio-based resins) and exhibit one or more functional properties. The latter in this case are: self healing (SH), shape memory (SM) and their combination, namely shape memory assisted self healing (SMASH). A further question is whether the above functional properties can be exploited to produce new generation thermosets (showing SMASH), and related composites (having mendable interphase). The project outlines a straightforward concept in depth to give adequate answers on the above questions.
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.
Nowadays, there is a clear shift in materials research targeting functional rather than structural properties, which nevertheless remains the subject of research. The other actual research direction focuses on the use of chemical compounds from renewable resources and their potential uses in application purposes. The resulting materials are often termed to bio-based ones. The latter direction is fueled by environmental concerns (depletion of crude oil, reduction of greenhouse gas emission etc.) and sustainability (reduction of “carbon footprint”) issues. Thermoset resins may well fit in both abovementioned research directions due to their versatile synthesis, combinations and crosslinking options. This is exactly the topic of our project, in addition, via a novel way: resin hybridization making use of the benzoxazine chemistry, and exploiting the thermoreversibility of the Diels-Alder reaction. The expected outcome is: smart thermosets (exhibiting SM, SH and SMASH) and related composites (with self healable interphase).
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.
Goal of this common project, considering the interest, skill and expertise of the cooperating partners, is to develop and characterize novel thermosetting resins which, apart from the required mechanical, also show new functional properties (namely self healing and shape memory, and their combination) and they are synthesized partly from renewable resources, Self healing is caused by triggering a thermoreversible reaction which may have an impact on the recyclability of the related thermosets, too. The planned research may result in new smart polymer systems and composites. Smart materials are those which react on an external stimulus (in this case mechanical loading and heat) by changing their properties, including shape. The self healing function will be transferred to the interphase in order to check the possibility of production of smart, next generation composites. Accordingly, the research work is in line with the requirements of sustainability since failure in the matrix and interphase can be healed thereby expanding the life expectation of the related parts.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
