Hybrid composites: structure, properties, functionality  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
129270
Type FK
Principal investigator Móczó, János
Title in Hungarian Hibrid kompozitok: szerkezet, tulajdonságok, funkcionalitás
Title in English Hybrid composites: structure, properties, functionality
Keywords in Hungarian kompozit, polimer, funkcionális tulajdonságok
Keywords in English composite, polymer, functional properties
Discipline
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)65 %
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)35 %
Ortelius classification: Macromolecular chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Ayyubov, Ilgar
Bartos, András
Hegyesi, Nóra
Kirschweng, Balázs László
Pászti, Zoltán
Pukánszky, Béla
Renner, Károly
Várdai, Róbert
Starting date 2018-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 38.089
FTE (full time equivalent) 9.95
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 utóbbi évtizedben a polimer kompozitok fejlesztésével foglalkozó kutatócsoportok és vállalatok elsősorban a szerkezeti anyagként való alkalmazásra koncentráltak. Napjainkban azonban a fogyasztók és az ipar által támasztott növekvő követelményeknek köszönhetően, olyan megnövelt értékű kompozitok kifejlesztésére merült fel az igény, amelyek a hagyományos feladataik ellátása mellett – az alkalmazási területhez illeszkedő – további funkcionális szerepet is képesek betölteni. Ebből a szempontból a hibrid kompozitok potenciális lehetőségeket rejtenek magukban. Hibrid kompozitokról abban az esetben beszélünk, ha a polimer mátrix többféle erősítő illetve töltőanyagot tartalmaz. Az egyes komponensek különböző, funkcionális tulajdonságokkal ruházhatják fel a kompozitot. Ez a tulajdonság felhasználható a gyógyászatban vagy akár a csomagolástechnológiában is, például aktív csomagolóanyagok fejlesztésekor, amelyek az áru minőségének megőrzését biztosító komponenst bocsátanak ki. E lehetőségek kiaknázásához további kutatásokra van szükség: többek között a töltőanyagok funkcionális vegyületek hordozójaként és egyben erősítőanyagként való alkalmazhatóságának vizsgálatával, valamint a polimer mátrixok és a töltőanyagok között kialakuló kölcsönhatások részletes feltérképezésével. Ehhez kapcsolódóan a különböző töltőanyagok széleskörű jellemzése, a megfelelő felületkezelési módok kidolgozása, az előnyös tulajdonságot biztosító töltő-anyag párok kiválasztása, bizonyos funkciót biztosítani képes töltőanyag-rendszerek kifejlesztése és az ezekből előállított hibrid kompozitok szerkezet-tulajdonság közötti összefüggésének felderítése képezi a kutatási munkánk alapját.

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 egyidejűleg több területen folyik, de a kutatómunka fő iránya a hibrid kompozit rendszerek tulajdonságainak vizsgálata. Az alkalmazott társítóanyagtól függően a vizsgált hibrid kompozit rendszerek eltérőek, de minden esetben a kérdés, hogy a társítóanyagok megfelelő megválasztásával elérhető-e a tulajdonságokat megfelelő kombinációja. Hagyományos töltőanyagok és polimer szálak társítása során a lejátszódó deformációs folyamatok vizsgálatán keresztül a fő cél a megfelelő ütésállóság biztosítása anélkül, hogy a kompozitok merevsége csökkenne. Nanoméretű töltőanyagok és szálerősítés segítségével előállított hibrid kompozitok esetén azt a kérdést vizsgáljuk, hogy a nanoméretű töltőanyag diszpergálhatóságát a második töltőanyag komponens hogyan befolyásolja. Kísérletet teszünk a hibrid nanokompozit szerkezetének és az alkalmazott társítóanyagok tulajdonságai közötti összefüggések mennyiségi leírására. Ezen vizsgálatok eredményeire támaszkodva nem csak rétegszilikát, hanem egyéb, funkcionális kompozitok előállítására használt nanotöltőanyagok alkalmazására is kísérletet teszünk. A kutatás végső célja megfelelő mechanikai tulajdonságokkal és emellett funkcióval (energiatárolás, elektromos vezetőképesség, nedvességmegkötő képesség) rendelkező hibrid kompozitok előállítása és felhasználása.

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 igazi jelentősége – anyagtudományi kutatás lévén – azon anyagok, melyeket a projekt során előállítunk. A kísérleti részben leírt anyagok ezen kombinációját korábban még az irodalomban nem alkalmazták, de nem ez a pályázat igazi versenyelőnye. Sok kutatócsoport publikációjában található arra utalás, hogy a töltőanyag és a mátrix közötti „kompatiblitás” nagymértékben meghatározza az előállított kompozit tulajdonságait. A csoportunk előnye, hogy nem csak nagy tapasztalattal rendelkezik a határfelületi kölcsönhatások módosítása terén, hanem a rendelkezésre álló vizsgálati módszerek és modellek segítségével a kölcsönhatások mennyiségi leírására is lehetőségünk van. Több társítóanyag alkalmazása során ez még kritikusabb, mert a töltő- vagy erősítőanyag felületi jellemzőinek és a mátrix tulajdonságainak megfelelően kell megválasztani az alkalmazott felületkezelési módszereket. A kutatás társadalmi jelentősége abban áll, hogy eredményeink hosszabb-rövidebb idő alatt a gyakorlatban hasznosulnak. A kutatás gyakorlati jelentőségét mutatja a hazai és külföldi nagyvállalatok (TVK, Borealis, Sabic, Nitrogén Művek és korábban GE, Clariant, Clopay stb.) érdeklődése eredményeink iránt. Már eddig is több szabadalmunk jelent meg és új eredményeinket a továbbiakban is szabadalmaztatni kívánjuk. A kutatás eredményeit természetesen felhasználjuk az oktatásban 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.
A műanyagok széleskörű elterjedése elsősorban annak köszönhető, hogy tulajdonságaik az alkalmazási területek igényeinek megfelelően alakítható. A tulajdonságok módosítását elsősorban társítással, egy vagy több további komponens hozzáadásával valósítják meg az ipari gyakorlatban. Ilyen társított anyagok a kompozitok, melyek legtöbbször valamilyen üvegszál vagy szénszál erősítőanyagot tartalmaz, és kis sűrűségük ellenére nagy szilárdsággal rendelkeznek. Manapság ezen anyagokat már elterjedten használja többek közt például az autóipar is. A fejlődés viszont nem állt meg, folyamatosan nő az igény olyan anyagok iránt, melyek hagyományosan nagy szilárdságuk vagy merevségük mellett további funkciók ellátására is alkalmasak. A hibrid kompozitok lehetővé teszik, hogy az alkalmazott társítóanyag tulajdonságaitól függően a kompozitoknak több területen is javuljanak a tulajdonságai, nagy merevség mellett nagy ütésállósággal rendelkezzenek például. A kutatómunka következő lépése, amikor ezeket a kompozitokat nem csak szerkezeti anyagként lehet felhasználni, hanem alkalmasak például energia tárolásával vagy egyéb funkcionális tulajdonságokkal ruházzuk fel őket.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Former the motive to develop polymer based composite materials was to utilize them as structural materials. Nowadays the requirements of both industry and consumers changed the direction of development for a new class of materials, which possess beside good stiffness and strength also some functional properties. Shape memory, responsive and desiccant properties are investigated more frequently in the literature. Hybrid composites could be a realistic answer for the challenges of advanced materials. Hybrid is a system where one kind of reinforcing material (filler or fiber) is incorporated in a mixture of different matrices (blends), or two or more reinforcing and filling materials are present in a single matrix or sometimes both approaches are combined. The incorporation of two or more fibers into a polymer matrix has led to development of hybrid composites. The properties of traditional composites can be calculated usually with a rule of mixture, while using a hybrid composite that contain at least two types of fibers, the advantages of one type of fiber could complement with what are lacking in the other. As a consequence, a balance in cost and performance could be achieved through proper material design. Further studies needed in order to investing reinforcements and fillers as carriers of functional compound; and the characterization of the interface between polymers and functional fillers is also necessary.

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 research work is carried out on the different fields of composites simultaneously, but the main motive of the project is the investigation of the properties of hybrid composite materials. Depending on the type of the incorporated fillers and fibers the hybrid system investigated will be different, but the main question is if the right combination of fillers and fibers results in the improvement of the hybrid composites’ properties compared to traditional composites with one reinforcement. Traditional filler and polymer fibers will be incorporated into different matrices and the deformation processes under external load will be investigated. It is expected that the quantitative description of deformation processes will yield materials with improved impact strength without sacrificing stiffness or strength of the hybrid composites. In hybrid composites with nano-sized reinforcement the distribution of the filler and the developing structure will be investigated and an attempt will be made to describe the factors influencing structure and properties quantitatively. Based on these investigations with hybrid nanomaterials, a new class of functional composites will be produced with nano-sized fillers eligible for energy storage, conductivity or other functional composite production.

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 real significance of the research lies on the materials which will be developed in the frame of this project. The combination of materials described in the experimental part was not published in the literature until now, since most research groups combine traditional fillers for example glass fibers with carbon fibers expecting a materials with new properties, but both reinforcement increases stiffness and probably strength and no other property is added to such kind of hybrid composite. The use of polymer fibers as reinforcement could be one new aspect, but the strength of this proposal relies on the expertise of the research group. The modification of interface in different composite is a daily routine at the group and moreover the characterization of interaction and interphase properties based on the available measurement methods and former developed models is also possible. The interaction between the phases is even more important if several fillers or fibers are introduced into the polymer matrix. The surface treatment method has to be selected according to the surface characteristics of the heterogeneous phase and matrix properties. Without the quantitative determination of interactions the distribution of functional fillers is extremely difficult. The significance of the project for the society is based on the fact that the results of the research will be implemented in practice by the industry in a shorter or longer period of time. The significance is highlighted by the interest of domestic and foreign companies (Mol Petrochemicals, Sabic, Nitrogén Művek, earlier GE, Clariant, Clopay etc.). The results of the research will be used in education as well.

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.
The permeation of plastic materials in a board range of application is due to the fact that their properties are easily adjusted to the given application area. The properties of plastics are modified either with blending or compounding with fillers or fiber in the industrial practice. Such fiber reinforced plastics usually contain glass- or carbon fiber reinforcement and despite their low density possess high strength. For example the automotive industry utilizes such reinforced composites in an increasing amount. The new applications usually challenges both the materials and researchers to develop new materials which not only have high stiffness and strength but also capable to fulfill certain functions. The hybrid composites can have the beneficial properties of the several components, for example they can have high stiffness and impact resistance at the same time. The next step in the research is when these hybrid composites are not only used as structural materials, but they are also capable for energy storage or owns other functional property.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A 129270 számú OTKA szerződés által nyújtott támogatás biztosította a lehetőséget a heterogén polimer rendszerek területén évek óta végzett munkánk folytatásához. A folyamatos kutatás néhány területen nemzetközi elismerést szerzett csoportunknak. Jelentős eredményeket értünk el a hibrid polimer rendszerek mikromechanikai deformációs folyamatainak feltárásában, de úttörő jellegűnek és nagyon fontosnak tartjuk a szintetitus polimer szálakkal kapcsolatos munkánkat is, amelyek alkalmazása hozzájárulhat a kompozit anyagok jelentős mértékű súlycsökkentéséhez, így a szénlábnyom csökkentéséhez is. Munkánkban számos fiatal kutató vesz részt és kutatási eredményeink nagy része a gyakorlatban is hasznosult.
Results in English
The financial support obtained in the framework of the OTKA K 129270 contract offered us the possibility to continue our work in the field of heterogeneous polymer systems that we have been doing for many years. Ongoing research in some areas has earned our group international recognition. We have made significant progress in the exploration of micromechanical deformation processes in hybrid polymer systems, but we also consider our work on synthetic polymer fibers, whose application can contribute to a significant weight reduction of composite materials, and thus to a reduction of the carbon footprint, to be pioneering and very important. Our work involves a number of young researchers and many of our research results have been put to practical use.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=129270
Decision
Yes





 

List of publications

  
Ferdinánd, M., Várdai, R., Móczó, J., Pukánszky, B.: Poly(lactic acid) reinforced with synthetic polymer fibers: interactions, structure and properties, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 164,107318, 2023
Ferdinánd M., Várdai R., Móczó J., Pukánszky B.: Reinforcement of PP with a hybrid nanofiller; comparison to talc, POLYMER TESTING 117: 107840, 2023
Ferdinánd, M., Várdai, R., Móczó, J., Pukánszky, B.: A novel approach to the impact modification of PLA, Engineering Fracture Mechanics 277,108950, 2023
Várdai, R.; Lummerstorfer, T.; Pretschuh, C.; Jerabek, M.; Gahleitner, M.; Pukánszky, B.; Renner, K.: Impact modification of PP/wood composites: A new approach using hybrid fibers., Express Polymer Letters, 13, 223-234 (2019)., 2019
Bartos András, Anggono Juliana, Farkas Ágnes Elvira, Kun Dávid, Soetaredjo Felycia Edi, Móczó János, Antoni ., Purwaningsih Hariyati, Pukánszky Béla: Alkali treatment of lignocellulosic fibers extracted from sugarcane bagasse: Composition, structure, properties, POLYMER TESTING 88: p. 106549., 2020
Várdai R., Lummerstorfer T., Pretschuh C., Jerabek M., Gahleitner M., Faludi G., Móczó J., Pukánszky B.: Comparative study of fiber reinforced PP composites: Effect of fiber type, coupling and failure mechanisms, COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING 133: p. 105895., 2020
Várdai Róbert, Ferdinánd Milán, Lummerstorfer Thomas, Pretschuh Claudia, Jerabek Michael, Gahleitner Markus, Faludi Gábor, Móczó János, Pukánszky Béla: Effect of Various Organic Fibers on the Stiffness, Strength and Impact Resistance of Polypropylene; A Comparison, POLYMER INTERNATIONAL pi.6105, 2020
Várdai Róbert, Lummerstorfer Thomas, Pretschuh Claudia, Jerabek Michael, Gahleitner Markus, Faludi Gábor, Móczó János, Pukánszky Béla: Reinforcement of PP with polymer fibers: Effect of matrix characteristics, fiber type and interfacial adhesion, POLYMER 190: p. 122203., 2020
Anggono Juliana, Farkas Ágnes Elvira, Bartos András, Móczó János, Antoni ., Purwaningsih Hariyati, Pukánszky Béla: Deformation and failure of sugarcane bagasse reinforced PP, EUROPEAN POLYMER JOURNAL 112: pp. 153-160., 2019
Balla Bence, Bartos András, Kun Dávid, Csiszár Emília, Móczó János, Fekete Erika: Improving mechanical and water sorption properties of thermoplastic starch by incorporating chitosan filler, POLYMER TESTING 101: 107278, 2021
Bartos A., Nagy K., Anggono J., Antoni A, Purwaningsih H., Móczó J., Pukánszky B.: Biobased PLA/sugarcane bagasse fiber composites: Effect of fiber characteristics and interfacial adhesion on properties, COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING 143: 106273, 2021
Bartos András, Kócs Judit, Anggono Juliana, Móczó János, Pukánszky Béla: Effect of fiber attrition, particle characteristics and interfacial adhesion on the properties of PP/sugarcane bagasse fiber composites, POLYMER TESTING 98: p. 107189., 2021
Kárpáti Z., Kun D., Fekete E., Móczó J.: Structural biomaterials engineered from lignocellulosic agricultural waste, JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE 138: (26) 50617, 2021
Várdai R., Schäffer Á., Ferdinánd M., Lummerstorfer T., Jerabek M., Gahleitner M., Faludi G., Móczó J., Pukánszky B.: Crystalline structure and reinforcement in hybrid PP composites, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY, 2021
Várdai Róbert, Ferdinánd Milán, Lummerstorfer Thomas, Pretschuh Claudia, Jerabek Michael, Gahleitner Markus, Faludi Gábor, Móczó János, Pukánszky Béla: Effect of Various Organic Fibers on the Stiffness, Strength and Impact Resistance of Polypropylene; A Comparison, POLYMER INTERNATIONAL 70: (1) pp. 145-153., 2021
Várdai Róbert, Lummerstorfer Thomas, Pretschuh Claudia, Jerabek Michael, Gahleitner Markus, Bartos András, Móczó János, Anggono Juliana, Pukánszky Béla: Improvement of the impact resistance of natural fiber–reinforced polypropylene composites through hybridization, POLYMERS FOR ADVANCED TECHNOLOGIES 32: (6) pp. 2499-2507., 2021
Vardai Robert, Lummerstorfer Thomas, Pretschuh Claudia, Jerabek Michael, Gahleitner Markus, Faludi Gabor, Moczo Janos, Pukanszky Bela: Impact modification of fiber reinforced polypropylene composites with flexible poly(ethylene terephthalate) fibers, POLYMER INTERNATIONAL 70: (9) pp. 1367-1375., 2021
Pregi E., Faludi G., Kun D., Móczó J., Pukánszky B.: Three-component polypropylene/lignin/flax composites with high natural additive content for structural applications, INDUSTRIAL CROPS AND PRODUCTS 182: 114890, 2022
Pregi Emese, Kun Dávid, Faludi Gábor, Móczó János, Pukánszky Béla: Modeling the mechanical properties of polypropylene/lignin/flax hybrid composites, MATERIALS AND DESIGN 220: 110833, 2022
Várdai R, Ferdinánd M, Lummerstorfer T, Pretschuh C, Jerabek M, Gahleitner M, Faludi G, Móczó J, Pukánszky B: Impact modification of hybrid polypropylene composites with poly(vinyl alcohol) fibers, JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES 41: (9-10) pp. 399-410., 2022
Várdai R., Schäffer Á., Ferdinánd M., Lummerstorfer T., Jerabek M., Gahleitner M., Faludi G., Móczó J., Pukánszky B.: Crystalline structure and reinforcement in hybrid PP composites, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY 147: pp. 145-154., 2022
Ferdinánd M., Várdai R., Móczó J., Pukánszky B.: Deformation and failure mechanism of particulate filled and short fiber reinforced thermoplastics: Detection and analysis by acoustic emission testing, POLYMERS 13: (22) 3931, 2021
Ferdinánd Milán, Várdai Róbert, Faludi Gábor, Móczó János, Pukánszky Béla: Hibrid PP kompozitok ütésállóságának növelése PVA szálakkal, POLIMEREK VII: (9) pp. 271-276., 2021
Józó Muriel, Várdai Róbert, Hegyesi Nóra, Móczó János, Pukánszky Béla: Poly-ε-Caprolactone/Halloysite Nanotube Composites for Resorbable Scaffolds: Effect of Processing Technology on Homogeneity and Electrospinning, POLYMERS 13: (21) 3772, 2021
Kun David, Karpati Zoltan, Fekete Erika, Moczo Janos: The Role of Interfacial Adhesion in Polymer Composites Engineered from Lignocellulosic Agricultural Waste, POLYMERS 13: (18) 3099, 2021
Bartos András, Anggono Juliana, Farkas Ágnes Elvira, Kun Dávid, Soetaredjo Felycia Edi, Móczó János, Antoni ., Purwaningsih Hariyati, Pukánszky Béla: Alkali treatment of lignocellulosic fibers extracted from sugarcane bagasse: Composition, structure, properties, POLYMER TESTING 88: 106549, 2020
Bartos Andras, Utomo Benny Putra, Kanyar Barnabas, Anggono Juliana, Soetaredjo Felycia Edi, Moczo Janos, Pukanszky Bela: Reinforcement of polypropylene with alkali-treated sugarcane bagasse fibers: Mechanism and consequences, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 200: 108428, 2020
Várdai Róbert, Lummerstorfer Thomas, Pretschuh Claudia, Jerabek Michael, Gahleitner Markus, Faludi Gábor, Móczó János, Pukánszky Béla: Reinforcement of PP with polymer fibers: Effect of matrix characteristics, fiber type and interfacial adhesion, POLYMER 190: 122203, 2020




 

Events of the project

  
2022-11-18 10:20:49
Résztvevők változása
2019-06-06 10:13:22
Résztvevők változása
2019-05-29 12:34:48
Vezető kutató váltás
Régi vezető kutató: Renner Károly
Új vezető kutató: Móczó János

A vezető kutató váltás indoka: a vezető kutató 2019. januárjától a versenyszférában folytatja a tevékenységét



Back »