 |
Novel thermoplastic dynamic vulcanizates (TDV) with enhanced wear resistance based on in situ produced polyurethane matrix
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128268 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Bárány, Tamás |
| Title in Hungarian |
Növelt kopásállóságú termoplasztikus dinamikus vulkanizátumok in situ előállított poliuretán mátrixszal |
| Title in English |
Novel thermoplastic dynamic vulcanizates (TDV) with enhanced wear resistance based on in situ produced polyurethane matrix |
| Keywords in Hungarian |
termoplasztikus dinamikus vulkanizátum, poliuretán, kopásállóság |
| Keywords in English |
thermoplastic dynamic vulcanizate, polyurethane, wear resistance |
| 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 |
Halász, István Zoltán
Karger-Kocsis, József
Kohári, Andrea
Molnár, Kolos
Pirityi, Dávid Zoltán
|
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
47.944 |
| FTE (full time equivalent) |
9.07 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Különböző polimerek ömledékes kompaundálásával előállíthatók olyan anyagok, amelyek újszerű, bizonyos szempontokból kiemelkedő tulajdonságokkal bírnak. Ezek közül az egyik gyorsan fejlődő csoport a termoplasztikus dinamikus vulkanizátumok családja (TDV). A TDV-k egy hőre lágyuló polimer mátrixban egyenletesen eloszlatott mikroméretű térhálós gumiszemcsékből állnak, ami által ötvözni tudják a gumik elasztikus viselkedését a hőre lágyuló polimerek egyszerű feldolgozhatóságával. Azonban ha a két fázis közötti felületi szabadenergia különbség jelentős, úgy a határfelületi adhézió igen gyenge, ami az anyag mechanikai viselkedése szempontjából kedvezőtlen. Ennek az adhéziónak a javítására ugyan léteznek különféle technikák, azonban ezek általában további segédanyagok és technológiai lépések beiktatását igénylik, így bonyolítják és drágítják a előállítást. Ez az adhézió azonban javítható úgy is, ha sikerül elérni, hogy az egyes fázisokat alkotó polimerek láncmolekulái a határfelületen egymásba gabalyodva kapcsolódjanak. Ennek a lehetősége jelentősen nő, ha a mátrix polimert a keverési művelet során in-situ szintetizáljuk, például valamilyen termoplasztikus poliuretán (PU) keverés közbeni előállításával. Munkánk célja olyan új TDV gyártási technológia fejlesztése, amellyel a fent említett módszerrel hozható létre kiváló tulajdonságokkal bíró TDV. Kutatásunk során tisztázandó kérdések: az alkalmazható gumireceptúrák és PU összetételek kérdése, valamint ezek hatása az elkészült TDV tulajdonságaira, a feldolgozási paraméterek és az újrahasznosítás folyamata során alkalmazott lépések hatása a tulajdonságokra, különös hangsúlyt fektetve a növelt kopásállóságra, mint célkitűzésre.
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.
Kutatásunk alapkérdése, hogy előállítható-e növelt szilárdsági tulajdonságokkal (kiemelve a növelt kopásállóságot) rendelkező TDV úgy, hogy a mátrixaként a keverési folyamat során in-situ létrehozott PU szolgáljon. Feltételezésünk szerint a mátrix ilyen módon történő előállítása során a PU és a gumi fázist alkotó láncmolekulák a keverékkészítés során egymásba tudnak gabalyodni a fázisok közötti határfelületen, ez által javítva a fázisok közötti adhéziót, ami az anyag mechanikai tulajdonságaiban megnyilvánuló jelentős javulással jár együtt. Ehhez első lépésként szükséges a megfelelő összetevők kiválasztása, mindkét összetevő (gumi és PU) részéről, valamint a feldolgozási technológiák tekintetében a rendelkezésre álló lehetőségek alkalmazhatóságának vizsgálata, különös hangsúlyt fektetve valamilyen folyamatos technológia alkalmazására (pl. extrúzió), ami a termelékenység szempontjából hordozna jelentős előnyöket. Ezek mellett érdekes az újrhasznosíthatóság kérdése is, ugyanis ha egy hagyományos térhálós gumi helyettesíthető lenne egy olyan TDV-vel, ami mechanikai és egyéb tulajdonságainak tekintetében felveszi vele a versenyt, az gazdaságossági és környezetvédelmi szempontból igen kecsegtető lenne (köszönhetően utóbbi hőre lágyuló mivoltának), ugyanis ezeknél mind a gyártási, mind a termékek elhasználódása miatt keletkező hulladék újrahasznosítása jelentős mértékben egyszerűbb lenne, mint térhálós gumik.
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 feljebb már említett gazdaságossági és környezeti előnyök mellett (hulladékkezelés egyszerűsödése, egyszerű és termelékeny gyártástechnológia) projektünk különösen időszerű mind tudományos, mind gyakorlati szempontból. Tudományos megközelítésben a legérdekfeszítőbb sarokpontokat a megfelelő PU és gumi összetételek, valamint az alkalmazható gyártástechnológiák kiválasztása jelenti, illetve annak tanulmányozása, hogy ezeknek a változtatása által milyen mértékben befolyásolható a fázisok közötti adhézió és a kész TDV tulajdonságai. Szintén jelentős érdeklődésre tart számot az újrahasznosíthatóság kérdése, valamint az, hogy az újrahasznosítás során alkalmazott technológiai lépések milyen mértékben és irányban befolyásolják az anyag tulajdonságait. Gyakorlati szempontból említésre méltó, hogy a project eredményei könnyen átültethetők a gumiipari gyakorlatba, ahol bár egyelőre csak szakaszos keverékkészítési technológiák honosodtak meg, ám a folyamatos gyártás által jelentett termelékenységbeli előny megnyithatná az utat a gumiipari szereplők erre a piacra történő belépése előtt. Célunk, hogy az eredményeink alapján ajánlásokat adjunk mind a különböző alapanyag-összetételek, mind a gyártástechnológiai lépések, valamint paraméterek szempontjából, hogy kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkező TDV-k legyenek gyárthatóak, figyelmet fordítva a hulladékgazdálkodásra is.
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.
Környezetvédelmi szempontból egyre égetőbb kérdés a gumihulladékok újrahasznosításának megoldása. Erre az egyik lehetőséget a hagyományos vulkanizált gumik olyan alternatív anyagokkal történő kiváltása jelentheti, amelyek tulajdonságaik szempontjából megegyeznek a hagyományos gumikkal, de újrahasznosításuk jóval egyszerűbben megvalósítható. A gumiszerű tulajdonságokkal rendelkező anyagokon belül egy dinamikusan fejlődő család az ún. termoplasztikus dinamikus vulkanizátumok (TDV-k) csoportja. Ezek felépítése a következő: egy hőre lágyuló polimer által alkotott mátrixban vannak egyenletesen eloszlatott mikroméretű térhálós gumiszemcsék, ami által ezek az anyagok ötvözni tudják a gumik elasztikus viselkedését a hőre lágyuló polimerek egyszerű feldolgozhatóságával (és újrahasznosíthatóságával). Ezek alapján nyilvánvaló, hogy ha sikerül a hagyományos gumik tulajdonságaival vetekedő teljesítményű TDV-ket előállítani, az egyértelműen megoldással szolgálhatna a felvázolt problémára. Jelenleg azonban a TDV-k esetén az említett kiemelkedő tulajdonságok elérése problémás, mivel a gumi és a hőre lágyuló mátrix közötti kapcsolat nem minden esetben elég erős. Kutatásunk célkeresztjében az áll, hogy módot találjunk arra, hogy ezt a kapcsolatot minél erősebbé tegyük egy újfajta reaktív gyártástechnológia segítségével. Ennek a kapcsolatnak az erősödésével pedig együtt javulnak a létrehozott keverék tulajdonságai úgy, hogy hőre lágyuló és ebből kifolyólag könnyen feldolgozható és újrahasznosítható mivoltát megőrzi, ami a vázolt szempontokból előnyös, ami esetén azonban fontos feltérképezni az újrahasznosítási lépések során bekövetkező esetleges anyagtulajdonságbeli változásokat is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
By melt blending different polymers, a material with new or improved properties can be produced. One of the emerging family of polymer blends is the group of thermoplastic dynamic vulcanizates (TDVs). These are composed of a continuous thermoplastic phase in which cured rubber is finely and uniformly dispersed. They combine the elasticity of rubbers with the easy processing and recyclability of thermoplastics. However, in the case of constituents with greatly different surface free energies, the interfacial region is the “weakest link”, owing to poor adhesion between the distinct phases. This adhesion can be improved by several techniques, although these usually require additional processing steps to incorporate the required interfacial agents, or their precursors. They are complicated and expensive processes and therefore not economically viable. Interfacial adhesion can also be improved by triggering mutual entanglement of the polymer chains of the components in the interphase. This can be effectively facilitated by the synthesis of the matrix polymer in situ during the blending process, for example by the in situ synthesis of a thermoplastic polyurethane (PU) during the blending. Therefore, our intent is to elaborate novel TDV production routes, yielding high performance TDVs by i) determining the suitable and implementable PU and rubber formulations for TDV production, and ii) demonstrating the effect of the synthesized PU and rubber formulations on the properties of the resulting TDVs, and iii) clarifying the effects of processing/reprocessing and their parameters, and iv) developing high performance TDVs with significantly enhanced wear resistance.
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.
The basic question of the planned project is whether TDVs with enhanced mechanical (especially wear) properties can be produced by the in situ synthesis of the thermoplastic polyurethane matrix during compounding or not. Our hypothesis is that the in situ formation of the matrix polymer will facilitate the mutual interpenetration and entanglement of the polymer chains of the components at their interfacial region, leading to improved interfacial adhesion and enhanced mechanical performance of the resulting TDV. The first step of the project is to determine the suitable constituents both from the rubber and the PU side. A further goal of the research is the investigation of potential processing techniques, with particular emphasis on whether a continuous processing technique like extrusion can be adapted in the production of PU-based TDVs, which would be beneficial in terms of production yield. Furthermore, we are also interested in the recyclability of the TDVs as well. If a conventional crosslinked rubber could be substituted by a TDV with matching mechanical properties and wear resistance, the thermoplastic behavior of the latter would be highly advantageous in ecological and economic terms. Recycling the processing waste and discarded products of a thermoplastic rubber could be far simpler than recycling conventional crosslinked rubbers.
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.
Besides the above-mentioned economic and ecological aspects (waste management, simple and high-yield production) the project is highly relevant from both scientific and practical aspects. From a scientific point of view, the following are important: i) determining the possible PU and rubber formulation to ensure strong bonding between the PU phase and the actual rubber, thereby clarifying to what extent the related relation is achievable by different PU and rubber constituents, ii) assessing how the conditions of the processing technique affect the overall performance of the resulting TDVs iii) investigating the recyclability of the TDVs by comprehensively examining the effects of recycling/reprocessing on the properties of the TDVs. The results of this project could be implemented easily and fast in rubber industry, where melt compounding (batch-wise only) is widely used. The continuous production of TDVs through reactive extrusion melt compounding would, however, yield higher productivity, and thus compounders could also enter this “rubber” market. Our target is to give recommendations on which PU and rubber formulations and processing techniques should be preferred for the preparation of the target TDVs and the optimization of their waste management.
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.
To find a potential solution for the recycling of used rubber products is a key issue of environmental protection. One of the viable opportunities is the replacement of several traditional crosslinked rubbers with alternative materials that have matching overall performance and properties, but can be recycled more simply and economically. One of the emerging family of materials showing rubber-like behavior is the group of so-called thermoplastic dynamic vulcanizates (TDVs). These TDVs, composed of a continuous thermoplastic phase in which rubber is finely dispersed, combine the beneficial properties of its components, namely the elastic behavior of rubbers and the simple, processing (and also possible reprocessing) of plastics. Accordingly, manufacturing TDVs with properties similar to those of traditional rubbers could be a straightforward solution to the above-mentioned problem. However, the overall performance of TDVs can be limited by the inadequate adhesion between the rubber and the thermoplastic phase. Our intention is to enhance this bonding with a new reactive production technique, involving the in situ synthesis of the thermoplastic phase (PU), which should improve interfacial adhesion, partly due to the mutual entanglement of the molecules of each phase. This should yield a strong interphase between the rubber and the thermoplastic phase and thus lead to an improvement in the overall performance of the in situ produced blend. A further aim of this project is to investigate the effects of recycling this novel TDV and determine the effects of repeated processing on its properties.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
