 |
Preparation and structure property correlations in polymer blends containing lignin
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
130442 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Pukánszky, Béla |
| Title in Hungarian |
Lignin tartalmú polimer keverékek előállítása és szerkezet-tulajdonság összefüggéseinek vizsgálata |
| Title in English |
Preparation and structure property correlations in polymer blends containing lignin |
| Keywords in Hungarian |
polimer keverékek kölcsönhatás szerkezet-tulajdonság öszefüggések |
| Keywords in English |
polymer blends, lignin, interfacial interaction, structure-property correlations |
| Discipline |
| Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Macromolecular chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Department of Physical Chemistry and Materials Science (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Kállay-Menyhárd, Alfréd
|
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
19.746 |
| FTE (full time equivalent) |
0.80 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A gyors fejlődésnek köszönhetően az új szintézis utak helyett manapság inkább létező polimerek módosításával, illetve társításával állítanak elő új műanyagokat. Ennek a megközelítésnek az oka, hogy ez a módszer sokkal gyorsabb és gazdaságosabb, mint egy teljesen új monomer, illetve polimer kifejlesztése és általában alkalmas a megfelelő tulajdonságok elérésére. A módosítás és a társítás is általában heterogén többfázisú anyagokat eredményeznek, amelyek tulajdonságait négy tényező, a komponensek jellemzői, az összetétel, a szerkezet és a határfelületi kölcsönhatások határozzák meg. Bár az alapelvek általánosan ismertek, alkalmazásuk konkrét rendszerekre egyéni megfontolásokat igényelnek és az ipar megnövekedett igényeit csak rendkívül alapos kutatással alátámasztott mennyiségi összefüggések segítségével optimalizált anyagok elégítik ki. Ezek a szempontok érvényesek mindenfajta módosításra a stabilizálástól a rövidszállal erősített kompozitokig. A munka célja a határfelületi kölcsönhatások, a szerkezet és a módosított anyag tulajdonságai között fennálló összefüggések, lehetőleg mennyiségi meghatározása. A kutatás során a lignin, mint az egyik legnagyobb mennyiségben rendelkezésre álló természetes alapú polimer molekula, kémiai módosításával fogunk foglalkozni, mert jelenleg ennek a hulladék anyagnak a felhasználása nem megoldott. A kémiai módosítás révén a lignin feltehetően alkalmassá tehető arra, hogy polimer keverékekben társító komponensként alkalmazzuk, így hozzáadott értékkel rendelkező terméket állítsunk elő.
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 pályázat tárgyát képező kutatásban a lignin kémiai módosításának lehetőségeit vizsgáljuk, annak érdekében, hogy a módosítással növeljük a lignin összeférhetőségét egyes gyakran alkalmazott polimer mátrixokkal, vagy mint építőkövet alkalmazzuk reaktív polimerek előállítására. Ennek fényében az általunk készített módosított lignint különféle polimer mátrixokba adagoljuk és ezekben a társított rendszerekben vizsgáljuk a polimer mátrix és a társító komponens közötti kölcsönhatásokat és a szerkezet-tulajdonság összefüggéseket annak érdekében, hogy minél kedvezőbb tulajdonságú terméket állítsunk elő. Izocianát kémiával lignin-PEG és egyéb kopolimereket állítunk elő és vizsgáljuk a kémiai szerkezet, a fázis szerkezet és a tulajdonságok kapcsolatát és új kedvező tulajdonságú polimereket szintetizálunk amennyiben lehetséges.
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 tudományos jelentősége a megközelítésben rejlik. Gyakorlatilag mindenki tisztában van a módosításban rejlő lehetőségekkel és rengeteg csoport foglalkozik természetes és mesterséges polimerek módosításával szerte a világon. Ugyancsak közismert, hogy a módosítással előállított heterogén polimer rendszerek tulajdonságait a szerkezet határozza meg. Nagyon kevés, gyakorlatilag elenyésző azonban azoknak a munkáknak a száma, amelyek mennyiségileg próbálják meg leírni az összetétel, a szerkezet és a tulajdonságok közötti összefüggéseket. Bár a szerkezet hatásának sokan tudatában vannak ennél sokkal kevesebben ismerik fel a kölcsönhatások jelentőségét és számos félreértés, tévhit uralkodik ebben a kérdésben. A specifikus kölcsönhatások szerepét sokszor figyelmen kívül hagyják, és nem veszik tudomásul, hogy a kölcsönhatásokat és módosításukat minden adott többkomponensű rendszerhez egyedileg kell megválasztani. A kölcsönhatások mennyiségi jellemzése igen összetett és bonyolult munka ezért az irodalomban igen kevés munka jellemzi megbízhatóan és mennyiségileg a határfelületi kölcsönhatásokat. Ezen a területen már korábban jelentős eredményeket értünk el és tovább folytatjuk a munkát a jövőben. Kutatásunk tudományos értékét egyértelműen fémjelzi a publikációinkra érkezett közel 7000 hivatkozás, illetve a jelen pályázat alapjául szolgáló 2016-ban megjelent „Modification of interactions in polypropylene/lignosulfonate blends” című cikkünkre két éven belül érkezett 17 független hivatkozás is. A kutatás társadalmi jelentősége abban áll, hogy eredményeink hosszabb-rövidebb idő alatt a gyakorlatban is hasznosulhatnak. A kutatás gyakorlati jelentőségét mutatja a hazai és külföldi nagyvállalatok (MOL, Borealis, Sabic, Nitrogén Művek és korábban GE, Clariant, Clopay stb.) érdeklődése eredményeink iránt. A kutatás eredményeit természetesen felhasználjuk az oktatásban, a heterogén polimer rendszereken szerzett tapasztalataink egy tárgy kidolgozásához vezetett (Polimer keverékek és kompozitok) és a kutatásban számos BSc, MSc és doktoráns hallgató vesz részt.
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 természetes és szintetikus polimereket ma már az élet minden területén használják. Felhasználási területeik száma azonban rohamosan nő és a legkülönbözőbb alkalmazási területek igényeit a kereskedelemben jelenleg kapható alapanyagok sok esetben nem tudják kielégíteni. Egy új polimer kifejlesztése szintézis útján azonban hosszú és drága folyamat, ezért gyakran a meglévő polimereket módosítják. Ez különösen érvényes a természetes, a természetes alapú és egyéb biopolimerekre, mivel ezek többnyire nem dolgozhatók fel a hőre lágyuló műanyagok hatékony technológiáival és nagyon gyakran nem elégítik ki a kívánt alkalmazás követelményeit. A módosítás jelentheti kis molekulasúlyú adalékok (lágyítók, stabilizátorok) alkalmazását, társítóanyagok (töltőanyagok, szálak, polimerek) használatát, vagy a polimer kémiai módosítását. Gyakran az előbb említett technikák közül többet is alkalmaznak egyszerre, hogy a kívánt hatást elérjék. A módosítás az esetek többségében heterogén, többfázisú anyagot eredményez. A módosított anyag tulajdonságait a szerkezet és a határfelületi kölcsönhatások határozzák meg. A kutatás célkitűzése, a lignin, mint az egyik legnagyobb mennyiségben rendelkezésre álló természetes alapú polimer molekula, kémiai módosítása és adalékpolimerként történő felhasználása. További cél a kialakított többkomponensű rendszerekben uralkodó kölcsönhatások, a szerkezet valamint a tulajdonságok közötti kapcsolatok megállapítása. Általános, a konkrét rendszertől független összefüggéseket kívánunk meghatározni a fenti mennyiségek között és vezérlő elveket kidolgozni konkrét felhasználási területek igényeinek megfelelő anyagok fejlesztéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Recently, the development of polymeric materials follows the fast changes in the industrial and household needs. New materials are frequently produced by the modification of existing polymers instead of the development of new synthesis routes. Modification usually results in heterogeneous multiphase materials, the properties of which are determined by four factors, component characteristics, composition, structure and interfacial interactions. Although these principles are known, their application to specific systems need individual considerations, and the strict requirements of industry can be satisfied only by materials optimized by considerable basic research supported by quantitative correlations. These principles are valid for all kinds of modifications, but their application of a certain system requires thorough structure-property correlations based on extensive research and experimental work. This point of view is valid for all kind of multicomponent system from stabilization to short fiber reinforced composites. The goal of the research is to determine, if possible quantitatively, correlations among interfacial interactions, structure and properties. Lignin is a natural polymer molecule, which is available in very large amount, but its application is not really solved due to its complex chemical structure. Accordingly, this polymer is often handled as waste material. The chemical modification may change the properties of lignin to make the application of this material possible as an additive component in value added multicomponent systems.
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 possible routes of chemical modification of lignin are studied in the proposed project, in order to improve the compatibility of lignin to polymers applied frequently in the industrial practice nowadays. The other direction of this research is to use lignin as the building molecule for various reactive polymers. According to the main target of our proposal, the chemically modified lignin is introduced as additive component into various polymer matrices and the interactions between the components are investigated in details. With manipulation of the chemical structure of the lignin and consequently the interaction, the structure-property correlations are described quantitatively if possible in order to prepare the best achievable properties. In addition lignin-PEG and other copolymers are synthesized throughout polyurethane chemistry in order to prepare new copolymer with reasonably good properties.
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 scientific significance of the research results from the approach used. Almost everyone is aware of the possibilities offered by modification and many groups modify natural and synthetic polymers all over the world. Similarly well-known is the fact that the properties of modified, heterogeneous polymer systems are determined by their structure. On the other hand, very few studies exist which try to describe quantitatively the correlations among composition, structure and properties. Although the effect of structure is clear for many, much fewer recognize the importance of interactions and considerable confusion and false beliefs exist in this area. Specific interactions are often ignored and the fact that modification strategy of interfacial interactions must be selected individually for each multicomponent system is largely disregarded. The quantitative characterization of interfacial interaction is a complex and difficult area, thus only few works are available in the literature, which characterize the interfacial interactions quantitatively and reliably. We achieved remarkable results earlier and intend to continue research in this area also in the future. The scientific value of our research is clearly shown by the fact that our publications received nearly 7000 citations up to now. In addition 17 independent citations have arrived to our recent publication entitled as “Modification of interactions in polypropylene/lignosulfonate blends” within two years after in publication in 2016. The social importance of our research is manifested in the practical application of our results; many of them is applied in practice within a shorter or longer period. The practical significance of our research is shown by the interest of domestic and international companies (MOL, Borealis, Sabic, Nitrogén Művek and earlier Ge, Clariant, Clopay and others). We obtained several patents and plan to apply for others in the future. The results of our research is naturally used also in teaching, our experience in heterogeneous polymers resulted in the creation of a course on Polymer blends and composites and many BSc, MSc and PhD students participate in the research.
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.
Natural and synthetic polymers are used in all areas of life. However, the growth rate of their application areas is extremely large and commercial materials often cannot satisfy the requirements of the most various applications. The development of the synthesis routes and production of a new polymer is a long and expensive procedure, thus existing polymers are often modified instead to obtain a new material. This is especially valid for natural, biobased and other biopolymers, since they often cannot be processed with the very efficient technologies of the plastics industry and do not have appropriate properties to the targeted application area. Polymers can be modified by the incorporation of small molecular weight substances (plasticizers, stabilizers), the addition of other modifiers like fillers, fibers or a second polymer, or by the chemical modification of the components. Often more than one of the above mentioned approaches are used simultaneously. Modification usually yields heterogeneous materials with multiphase structure. The properties of such materials are determined by structure and interfacial interactions. The goal of the research is the chemical modification of lignin and its application as additive component in various polymer blends. In addition the detailed description of structure and structure-property correlations in the studied multicomponent systems is also the goal of this research. We intend to determine general correlations that are independent of the specific systems studied in order to create guidelines for the development of materials for specific application areas (automotive industry, medical applications).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
