 |
The development of increased energy absorption foam structures
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
132462 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Czigány, Tibor |
| Title in Hungarian |
Növelt energiaelnyelő-képességű polimer habstruktúrák kifejlesztése |
| Title in English |
The development of increased energy absorption foam structures |
| Keywords in Hungarian |
polimer habok, energiaelnyelő-képesség, cellaszerkezet, újrahasznosítás, biopolimer |
| Keywords in English |
polymeric foams, energy absorbation, cell structure, recyling, biopolymer |
| 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 |
Kmetty, Ákos
Pölöskei, Kornél
Romhány, Gábor
Tábi, Tamás
Tamás-Bényei, Péter
|
| Starting date |
2019-12-01 |
| Closing date |
2023-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
45.300 |
| FTE (full time equivalent) |
4.80 |
| 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 kutatási projekt fő célja többrétegű polimer szendvics habstruktúrák energiaelnyelési tulajdonságainak elemzése statikus és dinamikus mechanikai vizsgálati módszerekkel. Az összehasonlítás érdekében a fejlesztés kezdetén feltárjuk a jelenleg legelterjedtebben alkalmazott polimer habok cellaszerkezetét és vizsgáljuk azok dinamikus mechanikai tulajdonságait (perforációs energia, duktilitási index, HIC, kritikus ejtési magasság). Emellett kiemelten tervezünk foglalkozni a polimer hab cellaszerkezete és energiaelnyelése közötti összefüggésrendszer feltárásával, elemzésével. Az eredmények birtokában célunk egy új, növelt energiaelnyelő képességű habstruktúra kifejlesztése, több rétegből álló, különböző polimer habanyagokból összeállított hibrid habszerkezet alkalmazásával. Feltételezzük, hogy a különböző polimer habanyagok megfelelő rétegrendben történő kombinálásával előállítható egy olyan szendvics habstruktúra, amely növelt energiaelnyelési és csillapítási tulajdonságokkal rendelkezik. A rétegrendek célzott megválasztásával, a rétegek közötti adhézió létrehozásával és az egyes alkotó habrétegekre vonatkozó energiaelnyelő képesség meghatározásával a tervezőmérnököknek adott funkcionalizált habstruktúra kiválasztására adhatunk mérnöki iránymutatást. A kutatótervünkben megfogalmazott célok a polimer habok anyagszerkezet-energiaelnyelő képesség közötti kapcsolatok feltárása alapinformációkat jelenthetnek későbbi biomechanikai vizsgálatokhoz és ezáltal célzott habtermékek kifejlesztéséhez. Kiemelt célunk továbbá új típusú szintaktikus biopolimer habok előállítása, amely egy megfelelő alternatívája lehet a nem lebontható polimer haboknak.
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 eredményeképpen létrehozunk különböző rétegrendű polimer habanyagokat, szendvics habstruktúrákat, amelyekkel növelt energiaelnyelési és csillapítási tulajdonságokkal rendelkező habstruktúrákat állítunk elő, a rétegrendek célzott megválasztásával, a rétegek közötti adhézió létrehozásával és az egyes alkotó hab rétegekre vonatkozó energiaelnyelő-képesség meghatározásával. A polimer habok anyagszerkezet-energiaelnyelő képesség közötti kapcsolatok feltárása alapinformációkat jelenthetnek későbbi biomechanikai vizsgálatokhoz és ezáltal célzott habtermékek kifejlesztéséhez. Felhasználási területtől függően számos iparágspecifikus előírás, valamint szabvány foglalkozik a habok csillapítási és energiaelnyelési tulajdonságainak minősítésével, azonban ezek mind mérési módszer, mind követelmény szempontjából különbözőek, így a kapott eredmények összehasonlítása nehézkes. Az adott habstruktúra kiválasztási folyamata az alapanyag úgynevezett „cushion curve” görbéjének segítségével történik, amely görbék nagymennyiségű dinamikus ejtősúlyos vizsgálatok eredményeit összegzik, amelyek során a vizsgált minta vastagságát, az ejtési magasságot, valamint a leejtett tömeget változtatják. Azokban az esetekben azonban, ahol a habanyag elsődleges funkciója az azt felhasználó személy, például utas vagy sportoló egészségének védelme, a terhelés nagysága mellett fontos tényező az ütközés időtartama is, amit figyelembe kell venni a habanyagok vizsgálata során (Head Injury Criterion mérőszám). Pályázatunkban választ adunk arra, hogy létre lehet hozni növelt energiaelnyelési tulajdonságú új típusú polimer szendvics habszerkezeteket hagyományos és biopolimerek felhasználásával.
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 kutatási projekt eredményeként összehasonlításra kerülnek a legelterjedtebb hagyományos polimer habok, valamint az általunk fejlesztett biológiai úton lebontható polimer habok energiaelnyelési tulajdonságai. Az elvégzett morfológiai, mikroszkópi, valamint dinamikus mechanikai vizsgálatok eredményeként felállítjuk a cellaszerkezet és az energiaelnyelés közötti kapcsolatot, valamint létrehozunk egy értéknövelt, kiemelkedő csillapítási és energiaelnyelési tulajdonságokkal rendelkező szendvics habstruktúrát. A minták deformációját nagysebességű kamerával követjük, és a felvételek, valamint a statikus és dinamikus mérési eredmények alapján összefüggésrendszert állítunk fel a különböző habok paraméterei (anyag, sűrűség, vastagság) és azok energiaelnyelő-képesség között. Meghatározzuk az egyes habszerkezetekre vonatkozó Head Injury Criterion-t és kritikus ejtési magasságot. A különböző vastagságban és eltérő sűrűségben gyártott szintaktikus biopolimer habszerkezetek energiaelnyelését ejtősúlyos vizsgálatokkal meghatározva, a “cushion curve” görbék segítségével minősítjük az egyes mintákat. Az újrahasznosítási vizsgálatok rámutathatnak a polimer habok környezettudatos alkalmazhatóságának lehetőségeire. Emellett az előállított biohabokon végzett sikeres lebonthatósági kísérletek esetén egy új, környezetbarát alternatívát nyújtanánk a jelenleg legnagyobb mennyiségben elterjedt habanyagok kiváltására.
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 kutatási projekt célja polimer habstruktúrák fejlesztése és energiaelnyelési mechanizmusának elemzése, különös tekintettel az egy és többrétegű habstruktúrák szerkezete-energiaelnyelő képessége közötti kapcsolatok feltárására, nem lebontható polimer habok és új típusú, biológiai úton lebontható polimer habok alkalmazásával. Ezen eredmények nélkülözhetetlenek a habosított polimer termékek műszaki célú alkalmazásakor úgy, mint járműipari burkolati elemek, háztartási gépek csomagolása, küzdősportok védő eszközei esetén. Kiemelt fontosságú mind a járműben, mind a járművön kívül a közlekedésben résztvevők biztonsága, egészsége, különösen az önvezető, autonóm járművek megjelenésével, valamint ugyancsak minden sportban kiemelten fontos a sportoló egészségének megőrzése és a maradandó sportsérülések elkerülése, ezért számos területen alkalmaznak különböző habstruktúrákat biztonsági célból, illetve a sporttevékenységet biztosító felületként. Mivel a többféle hőre lágyuló polimer rétegből felépülő habok újrahasznosítása jelenleg nehézségekbe ütközik, így kutatásunk során elemezni fogjuk a különböző rétegek együttes újrahasznosíthatóságának lehetőségét, továbbá az egyre szigorodó környezeti direktívák hatására e fejlesztett biopolimer hab egy jó alternatívát nyújthat a jelenleg alkalmazott habanyagok kiváltására.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of the research project is to analyze the energy absorption properties of multi-layer polymer sandwich foam structures with static and dynamic mechanical tests. At the beginning, we will examine the cell structure of the most widely used polymer foams and test their dynamic mechanical properties (perforation energy, ductility index, Head Injury Criterion, critical fall height). We also plan to focus on the relationship between the cell structure and energy absorption of the polymer foam. Using the results, we will develop a new foam structure with increased energy absorption capability. It will have a hybrid foam structure of several layers, made from different polymer foams. We assume that the proper layer order of different polymer foams a sandwich structure can be made with increased damping and energy absorption.
We will produce sandwich structures with different layer orders, and create adhesion between the layers. We will measure the energy absorption of the layers and the whole sandwich structures, and with this, we can give help to engineers to select the right functionalized foam structure for a given purpose. One of our goals is to reveal the relationships between foam structure and energy absorption, and this information can be input for subsequent biomechanical tests and thus the development of special foam products. We also consider it a very important goal to produce new types of syntactic biopolymer foams, which can be a good alternative to non-biodegradable polymer foams.
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.
We will produce polymer foam materials, sandwich foam structures with different layer orders, with which we will make foam structures with increased energy absorption and damping properties by a targeted selection of layer order, creating adhesion between the layers, and determining the energy absorption capability of the individual foam layers. The relationships between foam structure and energy absorption can be input for subsequent biomechanical tests and thus the development of special foam products. There are many regulations and standards concerning the damping and energy absorption of foams, but these differ in both in the requirements and the measurement methods, therefore the results are difficult to compare. Selecting the right foam structure starts with the so-called “cushion curve”, which summarizes the results of a high number of falling weight impact tests in which the thickness of the sample, fall height, and the weight are varied. In cases where the primary function of the foam is to protect a person (a passenger or sportsperson), there is another important parameter to be taken account of: the duration of the impact. (Head Injury Criterion). In our project we show that a new type of sandwich foam structures can be produced with the use of conventional and biopolymers.
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.
In the project, we will compare the energy absorption properties of the most commonly used polymer foams and the biodegradable polymer foams we developed. We will show the relationship between cell structure and energy absorption based on the results of the morphological, microscopy and dynamic mechanical tests, and produce a value-added sandwich foam structure with outstanding energy absorption properties. We will record the deformation of the samples with a high-speed camera, and based on the images and the results of the static and dynamic tests we will determine the relationship between the parameters of the foams (material, density and thickness) and their energy absorption capability. We will determine the Head Injury Criterion for the individual foam structures and the critical fall height. We will measure the energy absorption of the syntactic biopolymer foam structures manufactured in different thicknesses and densities with falling weight impact tests, and produce the „cushion curves” for the individual samples. The recyclability tests can show the possibilities of environmentally friendly applications of the polymer foams. Also, the successful biodegradability tests would provide a new, environmentally friendly alternative to the foams currently used in the largest amounts.
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 goal of the project is to develop polymer foam structures and analyze their energy absorption mechanism. We will pay special attention to the relationships between the structure and energy absorption capability of single-layer and multi-layer polymer foam structures—this will be examined with the use of non-biodegradable polymer foams and new, biodegradable polymer foams. These results are indispensable for the engineering application of foamed polymer products, such as energy absorption covers in vehicles, packaging of household appliances, and protective gear for martial arts and other fighting sports. The safety of passengers is of paramount importance in vehicles, as is the safety of people outside the vehicle. This is especially true for autonomous cars. Similarly, the safety of athletes, avoiding injury is also very important, that is why various foam structures are used in many areas in protective gear, or for a surface where sports activity can be safely done. Since currently it is difficult to recycle foams made up of several layers of different thermoplastic layers, we will analyze the possibility of recycling the different layers together. Since environmental directives are getting stricter and stricter, the biopolymer foam we plan to develop may provide a good alternative to currently used non-biodegradable foams.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
