Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Plastics technology
Panel
Natural Sciences Committee Chairs
Department or equivalent
Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Czvikovszky, Tibor Kovács, József Gábor Tábi, Tamás Toldy, Andrea
Starting date
2009-02-01
Closing date
2012-06-30
Funding (in million HUF)
9.538
FTE (full time equivalent)
2.27
state
closed project
Summary in Hungarian
Az elmúlt évtizedben intenzív kutatómunka kezdődött a világban új típusú, a hagyományos üveg- és szénszál-erősítésű kompozitok helyett, egyszerűbben újrahasznosítható polimer kompozitok irányában. Egyik lehetséges alternatíva az önerősítéses kompozitok gyártása, amelyben mind az erősítőszál, mind a mátrix azonos polimer anyagcsaládba tartozik. Az így előállított kompozitok előnye a 3-5-ször nagyobb szilárdság és merevség (az erősítetlen mátrixhoz képest) mellett a könnyebb és egyszerű újrahasznosíthatóság, mivel nem szükséges a szál és a mátrix szétválasztása, hanem együtt ledarálhatóak, újra megömleszthetőek és felhasználhatóak. Továbbá nagy előnyük, hogy az előállított kompozit a mátrix sűrűségével megegyezik, így egy azonos geometriával rendelkező üvegszál erősítéses kompozithoz képest akár 30% tömegcsökkenés is elérhető. Az önerősítéses kompozitok jelenlegi nagy hátránya, hogy lemez formátumban állíthatók elő, a belőlük előállított termékek köre így erősen korlátozott (csak egyenletes falvastagságú, melegalakítással készíthető termékek, pl. héjak, panelek stb.). A projekt célja olyan fröccsöntéssel előállítható önerősítéses polimer kompozitok kifejlesztése, amelyből tetszőlegesen bonyolult geometriájú 3D-s termékek gazdaságosan, nagy sorozatban gyárthatóak. További előnyük, hogy a szerszámkoptató hatásuk is csekélyebb, mint a napjainkban domináns üvegszál-erősítésnél. A kutatási program a kompozit és annak gyártástechnológiájának kifejlesztésére, a kifejlesztett kompozit vizsgálatára és a termékgyártási kísérletekre irányul.
Summary
Last decade intensive research work addressed worldwide new types of polymer composites that are easier to recycle than the conventional, glass and/or carbon fiber reinforced composites. A possible alternative is the production of self-reinforced composites, in case of which both the reinforcing fiber and the matrix belong to the same polymer family. Major advantages of composites, produced this way, are a 3-5 times higher strength and stiffness (compared to the neat matrix) and the easier and simpler recycling via remelting. Note that the matrix and the fiber should not be separated, but they can be ground together, reprocessed and used. A further big advantage is that the density of the produced composite is the same as that of the matrix, hence the weight can be reduced by ca. 30% compared to glass fiber reinforcement. Today a serious drawback of the self-reinforced composites is that they are produced only in sheet form, and hence the range of products that can be manufactured is strongly limited (suited only for thermoformed products having a constant wall thickness, e.g. shells, panels etc.). The aim of this project is to develop injection moldable, self-reinforced polymer composites from which 3D products of complex geometry can be manufactured economically, in large series. Their further advantage in respect with processing is that they do not exert abrasive effect on the molds in contrast to glass fiber reinforcements. The research program covers the development of the composites, their production and processing technologies. The related work includes also the in-depth characterization of the related systems.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás célja nagy sorozatgyártásra alkalmas, egyszerűen újrahasznosítható polimer kompozit anyag kifejlesztése volt. Első lépésként négy alapanyagcsoportot állítottunk fel, amelyekből fröccsöntésre alkalmas előgyártmányt próbáltunk előállítani porkeveréses, illetve bevonatolásos technológiák alkalmazásával. Ezen technológiák alkalmazásával fröccsöntésre alkalmas előgyártmányt nem tudtunk létrehozni. Az előkísérletek alapján a továbbiakban az rPP/PP és TPE/PP csoportokra fókuszáltunk, és tekercseléses, préseléses és kriogénes granulálás felhasználásával fröccsöntésre alkalmas előgyártmányt állítottunk elő. Az alapanyagokat, az előgyártmányokat és a fröccsöntött kompozitokat statikus és dinamikus mechanikai, illetve morfológiai vizsgálatokkal minősítettük. A hőre lágyuló erősítőanyag jelenlétét, a kialakult száleloszlást, szál-mátrix adhéziót mikroszkópos vizsgálatokkal minősítettük. Kimutattuk, hogy jelentős erősítőhatást sikerült elérnünk nagy (50-80 m%) száltartalmú előimpregnált előgyártmány alkalmazásával. A fröccsöntött próbatestek húzószilárdságban rPP esetén mintegy 50%-os TPE esetén több mint 500%-os növekedést tapasztaltunk. Az rPP alapú kompozit perforációs energiája az erősítettlen polipropilénhez képest jelentősen (~1000-1200%) növekedett mind a szobahőmérsékleten, mind -30°C-on végzett mérések esetén. Mikroszkópos felvételekkel igazoltuk, hogy a hőre lágyuló erősítőanyag nem került ömledék állapotba és megfelelő szál-mátrix adhézió alakult ki.
Results in English
The goal of the project was to develop novel polymer composites of advanced recyclability for large production series. At the first step four material combinations were selected from which injection mouldable pre-products were tried to prepare by using powder mixing or extrusion coating techniques. The prepared materials were not suitable for injection moulding. Based on the preliminary tests, later, we focused on two material combinations: rPP/PP and TPE/PP pairs from which injection mouldable pre-products were produced by winding, compression moulding and cryogenic pelletizing. The raw materials, the pre-products and the injection moulded specimens were characterized by static and dynamic mechanical and morphological tests. The presence of thermoplastic reinforcing fibres, the fibre distribution and fibre/matrix adhesion was analysed by microscope. It was established that the yield stress of injection moulded specimens increased by ca. 50% for rPP and more than 500% for TPE. Comparing to the neat matrix material the perforation energy of rPP-based composite rose enormously (~1000-1200%) at both room temperature and -30°C. By microscopy it was demonstrated that the thermoplastic reinforcement did not melt and good adhesion existed between fibre and matrix.
Kmetty Á; Tábi T; Kovács JG; Bárány T: Development and characterisation of injection moulding, self-reinforced polypropylene composites, Express Polym Lett, submitted, 2012
Bocz K; Toldy A; Kmetty Á; Bárány T; Igricz T; Marosi Gy: Development of flame retarded self-reinforced composites from automotive shredder plastic waste, Polym Degrad Stabil 97: 221-227, 2012
Bocz K; Bárány T; Toldy A; Bodzay B; Zimonyi E; Csontos I; Mádi K; Marosi Gy: Self-extinguishing polypropylene with a mass fraction of 9 % intumescent additive - A new physical way for enhancing the fire retardant efficiency, Polym Degrad Stabil, submitted, 2012
Mai JH; Zhang MQ; Rong MZ; Bárány T; Ruan WH: Crystallization behavior and mechanical properties of nano CaCO3/beta-nucleated ethylene-propylene random copolymer composites, Express Polym Lett 6: 739-749, 2012
Bárány T; Izer A; Menyhárd A: Reprocessability and melting behavior of self-reinforced composites based on PP homo and copolymers, J Therm Anal Calorim 101: 255-263, 2010
Izer A; Bárány T: Effect of consolidation on the flexural creep behaviour of all-polypropylene composite, Express Polym Lett 4: 210-216, 2010
Stocchi A; Izer A; Bárány T; Bernal C; Czigány T; Pettarin V: Fracture behaviour of recyclable all-polypropylene composites composed of a and b modifications, J Thermoplast Compos 24: 805-817, 2011
Kiss Z; Kmetty Á; Bárány T: Investigation of the weldability of the self-reinforced polypropylene composites, Mater Sci Forum 659: 25-30, 2010
Ruan WH; Zhang MQ; Wang MH; Rong MZ; Bárány T; Czigány T: A novel processing technique for manufacturing of PP composites reinforced with nanoparticles, 7 pages in Proceedings of 17th International Conference on Composite Materials, Edinburgh, United Kingdom, July 27-31, 2009
Bárány T; Izer A; Czigány T; Stocchi A; Pettarin V; Bernal C: Consolidation and fracture of self-reinforced polypropylene composites, SPE Plastics Research Online, Doi: 10.1002/spepro.003057, 2010
Kmetty Á; Bárány T: Development of pre-product for manufacturing of self-reinforced polypropylene composites by injection moulding, pp. 146-152 in Proceedings of 7th International Conference on Mechanical Engineering (GÉPÉSZET'2010), Budapest, Hungary May 25-26, 2010
Karger-Kocsis J; Bárány T: Polyolefin fiber- and tape-reinforced polymeric composites, pp. 315-337 in: Thomas S; Joseph K; Malhotra SK; Goda K; Sreekala MS. Advances in Polymer Composites - Macro and Micro Composites. Wiley VCH, Weinheim, Germany, 2012
Bárány T; Kmetty Á; Balogh G; Wu CM: Novel polyester based self-reinforced composites, Abstract Book of 5th Asia-Europe Symposium on Processing and Properties of Reinforced Polymers, Dresden, Germany, May 29 -June 1, 2011
Kmetty Á; Bárány T: Processing of self-reinforced polypropylene composites with high reinforcing content by film-stacking method, Abstract Book of 5th Asia-Europe Symposium on Processing and Properties of Reinforced Polymers, Dresden, Germany, May 29 -June 1, 2011, 2011
Kmetty Á; Bakonyi P; Vas LM; Bárány T: Tensile and flexural creep behaviour of self-reinforced polypropylene composites prepared by comporession and injection molding, 7 pages in Proceedings of 15th European Conference on Composite Materials (ECCM15), Venice, Italy, June 24-28, 2012
Bárány T; Luketics M; Siccardi M; Kmetty Á; Pettarin V; Bernal C; Czigány T: Farcture behaviour of all-poly(ethylene terephthalate) composites, 8 pages in Proceedings of 15th European Conference on Composite Materials (ECCM15), Venice, Italy, June 24-28, 2012
