Developing and modeling electrospun nanofibrous structures  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
100949
Type K
Principal investigator Vas, László Mihály
Title in Hungarian Elektrosztatikus szálképzésű nanoszálas szerkezetek kidolgozása és modellezése
Title in English Developing and modeling electrospun nanofibrous structures
Keywords in Hungarian Elektroszatikus szálképzés, nanoszálas anyagok, statisztikus modellezés, szálkötegek
Keywords in English Electrospinning, nanofibrous materials, statistical modeling, fiber bundles
Discipline
Fibre Technology (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Al-Gaadi, Bidour
Bakonyi, Péter
Czél, Gergely
Halász, Marianna
Nagy, Péter
Tamás, Péter
Starting date 2012-01-01
Closing date 2015-05-31
Funding (in million HUF) 16.605
FTE (full time equivalent) 10.39
state closed project
Summary in Hungarian
Az elektrosztatikus szálképzést nagy érdeklődés kíséri az utóbbi két évtizedben elsősorban azért, mert az egy egyszerű, egylépéses módszert kínál a viszonylag nagy felületű és szilárdságú nanoszálak előállításához. Általában szövedék formájában állítják elő, azonban fonalak és orientált szövedékek is gyárthatók. Főbb alkalmazási területei pl. szűrés, gyógyászat, érzékelők és kompozitok előállítása.
A kutatás célja az elektrosztatikus szálképzési technológia és a nanoszálas termékek elemzése, jellemzői javítása, szerkezetük és mechanikai tulajdonságaik közötti összefüggések feltárása, valamint módszerek kidolgozása a nanoszálas anyagok szerkezetének és mechanikai viselkedésének modellezésére.
Megoldandó feladatok: egy újszerű elektroszatikus szálképző berendezés és új nanoszálas szerkezetek fejlesztése, a korábban kidolgozott statisztikus szálpaplan modellre, valamint a szálkötegcella modellezési módszerre és a kapcsolódó FiberSpace szoftverre alapozva a nanoszálas szövedék megfelelő szerkezeti-geometriai modelljének kidolgozása és a nanoszálas szerkezetek mechanikai viselkedésének modellezése.
A kutatás várható eredményei: egy elektrosztatikus szálképző rendszer, új, különböző célú nanoszálas anyagok, új ismeretek azok szerkezeti és mechanikai jellemzőik közötti összefüggéseket illetően, nanoszálas szerkezetek statisztikus szerkezeti-mechanikai modelljei, valamint a FiberSpace modellező program továbbfejlesztett változata.
Summary
Electrospinning has gained a high interest in the last two decades, especially because it offers a simple, single-step method to produce nanofibers which have got a relatively large surface and strength. In general they are produced in form of fibrous web, but yarns and oriented mats can also be obtained. They can be used e.g. in filtration, sensor technology, biomedical and composite applications.
The main goals of the project are to analyze and improve the properties of electrospinning technology and nanofibrous products, reveal the relationships between their structure and mechanical behavior, and develop methods to model the structure and tensile behavior of electrospun nanofibrous materials.
Tasks to solve are: development and testing of a novel electrospinning device and novel nanofibrous structures, working out a proper structural-geometrical model of the nanofibrous web based on the statistical glass fiber mat model elaborated earlier, and modeling the mechanical behavior of nanofibrous structures by using fiber-bundle-cells method and the Software FiberSpace developed earlier.
The expected results of the project are: an electrospinning system, novel nanofibrous materials for different use, novel knowledge in relationships between their structural and mechanical properties, statistical structural-geometrical models of nanofibrous structures, and the advanced version of software FiberSpace for modeling nanofibrous materials including composites.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Új, szabadalmaztatásra benyújtott, ún. elektrosztatikus korona-szálképzési eljárást és folytonos szálképzésű berendezést fejlesztettünk ki, amellyel nanoszálas szövedékek és fonalak, míg a kidolgozott többlépéses hőkezelési ciklus révén PAN alapú szén-nanoszálak állíthatók elő. A nanoszálas hibrid kompozitok vizsgálata szerint a nanoszálak szignifikánsan javították a mechanikai tulajdonságokat. Szálköteg alapú dekompozíciós eljárással kimutattuk, hogy a rugalmas szálhálót alkotó nanoszálas szövedék kötéspontjai húzóterhelés alatt megcsúsznak, kúszásjellegű deformáció jön létre, majd a szálakkal együtt szakadnak. Kimutattuk, hogy a szakítógörbe és a kúszásgörbe között lineárisan viszkoelasztikus anyagviselkedésnél talált összefüggés nemlineáris változótranszformációkkal való módosítása alkalmas a nemlineárisan viszkoelasztikus polimerek, így a vizsgált PP kompozitok hosszútávú kúszási folyamatának leírására. A kúszási szakadási nyúlás, ill. élettartam átlagos értéke mellett, annak eloszlása is becsülhető a kidolgozott Weibull-típusú leírással. A rugalmas szálháló modelljeként hasonló kötésviselkedésű, de szabályos szerkezetű szőtt struktúrát vizsgáltunk. Ferdén kivágott szövetminta húzás alatti deformációs és tönkremeneteli viselkedése speciális, nemlineáris, lánc- és vetülékfonal kötegek keresztmetszeti fonalszámokkal súlyozott párhuzamos kapcsolásával modellezhető. A kötegmodell a FiberSpace szoftver keretében történő megvalósítása és tesztelése folyamatban van.
Results in English
A novel so-called crone fiber-electro-spinning method and a continuously working device were developed and submitted to patenting that can produce nanofibrous webs and yarns as well as PAN based carbon nanofibers using the multiphase heat treatment cycle elaborated. Testing nanofibrous hybrid composites showed that the nanofibers significantly improved the mechanical properties. Fiber bundle based decomposition method proved that under tensile load the bonds of the nanofibrous web forming elastic fiber-net could be slip, a kind of creep deformation took place, then they broke together the fibers. It was shown that modifying the relationship between the tensile and creep curves, found in case of linear viscoelastic behavior, with nonlinear variable transformations made possible to describe the long-term creep process of nonlinear viscoelastic polymers such as the PP composites. Besides the average values of the creep strain and lifetime to failure also their distribution could be estimated by the Weibull-distribution based method developed. As the model of the elastic fiber-net woven structures having bonds of similar behavior of but being regular were examined. The deformation and failure behavior of obliquely cut fabric specimens under tensile load could be modeled by special weighted parallel connected bundles of warp and weft nonlinear model-yarns. Realizing and testing the bundle-model has been in progress in the environment of software FiberSpace.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100949
Decision
Yes





 

List of publications

 
Horváth PA: Kompoziterősítő szövetek deformációs képességének vizsgálata, BME szakdolgozat, 2013
Bakonyi P., Molnár K., Vas L.M: Volume Variation of Polypropylene and its Fiber Reinforced Composites During Tensile Measurements, 8th Aachen-Dresden International Textile Conference. Dresden, 2014.11.27-2014.11.28. Proceedings  pp. 1-7., 2014
Bakonyi P., Molnár K., Vas L.M: Glass Fiber Content-Dependent Volume Variation of Polypropylene Composite Under Tensile Test, The Fiber Society 2014 Fall Meeting and Technical Conference Fibers for … the Future October 22-24, 2014 Philadelphia, USA, Proceedings   126-127., 2014
Vas LM; Halász M; Molnár K; Tamás P; Kovács ACS: Modelling and analysing the tensile and shearing behaviour of fabric samples, 8th Aachen-Dresden International Textile Conference. Dresden, 2014.11.27-2014.11.28. Proceedings CD, P41, pp. 1-13. ISSN 1867-6405, 2014
Molnár K., Bakonyi P., Vas L. M., Halász M.: Shear properties of woven composite reinforcement, Proceedings of 8th Aachen-Dresden International Textile Conference 2014, 2014. november 27-28., Drezda, Németország, Proceedings CD, Paper P40, 8p, ISSN 1867-6405, 2014
Kovács ACS: Műszaki szövetek húzóigénybevételre mutatott irányfüggő viselkedése és modellezése, BME TDK dolgozat, 2014
Tatár N: Kiértékelési módszer fejlesztése képelemzéses hajlításméréshez, BME TDK dolgozat, 2014
Szabó DK: Szövet erősítésű hajlékony kompozitok biaxiális húzóvizsgálata, BME TDK dolgozat, 2014
Tatár N: Szőtt erősítőszerkezetek és hajlékony kompozitjaik hajlítóvizsgálata képfeldolgozással, BME MSc diplomaterv, 2014
Sörös G: Hajlékony textil és kompozit lapok hajlítóvizsgálata, BME Bsc szakdolgozat, 2014
Mészáros A: Textíliák nyíróvizsgálati módszereinek összehasonlító elemzése, BME BSc szakdolgozat, 2014
Kovács AC: Műszaki szövetek húzóvizsgálati jellemzőinek irányfüggése, BME MSc siplomaterv, 2014
Kovács A: Megújuló erőforrásból előállított, hosszú bazaltszállal erősített polimer kompozitok hosszútávú viselkedésének vizsgálata, BME MSc diplomaterv, 2014
Vargyas A: Vízüveg-gyanta időfüggő mechanikai tulajdonságainak elemzése, BME TDK dolgozat, 2014
Bökönyi ÁZS: Polimer kompozitok kúszási viselkedésének elemzése, becslése, BME Bsc szakdolgozat, 2014
Hadlacky MD: Polimer anyagok hosszú távú viselkedésének vizsgálata, becslése, BME BSc szakdolgozat, 2014
Timár M: Megújuló erőforrásból előállított, rövid bazaltszállal erősített polimer kompozitok hosszútávú viselkedésének vizsgálata, BME Bsc szakdolgozat, 2014
Nagy ZsK, Balogh A, Démuth B, Pataki H, Vigh T, Szabó B, Molnár K, Schmidt BT, Horák P, Marosi Gy, Verreck G, Van Assche I, Brewster ME: High speed electrospinning for scaled-up production of amorphous solid dispersion of itraconazole, International Journal of Pharmaceutics, 480:(1-2) pp. 137-142., 2015
Molnár K: DSC Study of Polyacrylonitrile Nano- and Microfibers, In: David Lukáš, Eva Košťáková, Petr Mikeš (szerk.) The Fiber Society Spring 2014 Technical Conference: Fibers for Progress. Liberec, Csehország, 2014.05.21-2014.05.23. L, 2014
Molnár K: Szén nanoszálakkal társított kompozitok kifejlesztése, Műanyag- és Gumiipari évkönyv 12:1 pp. 103-109., 2014
Nagy ZK, Molnár K: Corona-electrospinning: An Efficient Needleless Method for Producing Nanofibers., In: Caroline Schauer (szerk.) The Fiber Society 2014 Fall Meeting and Technical Conference: Fibers for … the Future. Philadelphia, Amerikai Egyesült Államok, 2014.10.20-2, 2014
Lomov S, Molnár K: Compressibility of carbon fabrics with needleless electrospun pan nanofibrous interleaves, Express Polymer Letters, bírálat alatt (EPL-0006210), 2015., 2015
Ráczkevi M: Elektro-szálképzett nanoszálakkal társított polimer mátrixú hibrid kompozitok előállítása és vizsgálata, BME, TDK dolgozat, 2014
Tóth LF: Szénszál/szén nanocső/szén nanoszál erősítésű, égésgátolt kompozitok vizsgálata, BME TDK dolgozat, 2014
Szabó B: Nanoszálas szerkezetek folytonos előállítására alkalmas eljárás fejlesztése, BME MSc diplomamunka, 2014
Majoros Á: Poliamid nanoszálas szövedékek fejlesztése és vizsgálata, BME BSc szakdolgozat, 2014
Skardelli M.: Szén nanoszálas szövedékek előállítása és mechanikai vizsgálata, BME, BSc szakdologzat, 2014
Fehér Á.: Nanoszálas szövedékek gyantafelvételi folyamatának vizsgálata és elemzése, BME BSc szakdolgozat, 2014
Molnár K; Vas LM; Czigány T: Determination of tensile strength of electrospun single nanofibers through modeling tensile behavior of the nanofibrous mat., Compos Part B Eng 43: 15-21, 2012
Apagyi J: Hajlításból és húzásból eredő kúszás kapcsolatának elemzése, BME, Diplomadolgozat, Budapest, 2012
Kmetty Á; Bakonyi P; Vas LM; Bárány T: Tensile and flexural creep behaviour of selfreinforced polypropylene composites prepared by compression and injection molding., pp 1-7 in CD Proceeding of ECCM 15, 15th European Conference on Composite Materials, Venice, Jun 24-28., 2012
Bakonyi P; Vas LM: Üvegszállal erősített polipropilén kompozitok kúszási tulajdonságainak jellemzése, Műanyag és Gumi 49: 348-353, 2012
Vas LM; Bakonyi P: Estimating the creep failure strain of PP at different load levels based on short term tests and Weibull characterization., Express Polym Lett 6: 987-996, 2012
Bakonyi P; Vas LM: Analysis of the creep behavior of polypropylene and glass fiber reinforced polypropylene composites., Mater Sci Forum 729: 302-307, 2012
Karajz K: Elektro-szálképzett poliakrilnitril nanoszálak elszenesítése és vizsgálata., BME, Diplomadolgozat, Budapest, 2012
Sas P: Elektro-szálképzett nanoszálas szerkezetek és előállítási folyamatuk optimálása., BME, Diplomadolgozat, Budapest, 2012
Belovay Á.: Elektro-szálképzett nanoszálakkal társított hibrid kompozitok fejlesztése., BME, BsC Szakdolgozat, Budapest, 2012
Molnár K; Vas LM: Electrospun Composite Nanofibers and Polymer Composites, pp. 301-349 in: Bhattacharyya D; Fakirov S. Synthetic Polymer-Polymer Composites. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München, 2012
Vas LM; Bakonyi P.: Creep Failure Strain Estimation of GF/PP Composites Based on Short Term Tests and Weibull Characterization., J Reinf Plast Comp 32: 34-42, 2012
Morlin B; Vas LM; Czigány T: Investigation of fiber/matrix adhesion: Test speed and specimen shape effects in cylinder test., J Mater Sci DOI 10.1007/s10853-012-7097-4., 2013
Klinger D.: PP és szálerősített PP kompozit anyagok kúszási viselkedésének leírása a hőmérséklet-idő ekvivalencia segítségével, BME, BsC Szakdolgozat, Budapest, 2012
Kovács TI: Elektro-szálképzési eljárás optimálása poliakrilnitril nanoszálak előállításához., BME, TDK dolgozat, Budapest, 2012
Szilágyi L: PP és kompozitjainak hajlító igénybevételű kúszásvizsgálata., BME, BsC Szakdolgozat, Budapest, 2012
Huszár ZA; Kovács AC: Hajlékony kompozit lap építőelemeinek szerkezeti, szilárdsági vizsgálata és modellezése., BME, TDK dolgozat, Budapest, 2012
Vas LM; Göktepe F; Tamás P; Halász M; Özdemir D; Kokas Palicska L: Modeling And Analysing The Tensile Behavior Of Fabric Samples, Acta Polytech Hung 10: 79-95, 2012
Szólik G: Epoxi/nanoszál alapú több alakra emlékező polimer rendszer fejlesztése., BME, BsC szakdolgozat, Budapest, 2012
Jankovics M: Szén nanoszálak és kompozitjaik előállítása és vizsgálata., BME, Diplomadolgozat, Budapest, 2012
Molnár K: Development of carbon nanofiber reinforced hybrid composites for aerospace applications., Szóbeli előadás, PRECARB-12 - Surface Chemistry and Performance of Carbon Materials, Budapest, Jun 16-17., 2012
Molnár K; Vas LM: Development of continuous electrospun precursors for carbon fiber manufacturing., pp 1-8 (paper ID: 568) in CD Proceeding of ECCM 15, 15th European Conference on Composite Materials, Venice, Jun 24-28., 2012
Quero López V; Sequeiros Murciano F; Cano Pérez F; Molnár K: Research activities on nano-materials and electromagnetic protection of composite aeronautical structures., pp 1-9 (paper ID: 709) in CD Proceeding of ECCM 15, 15th European Conference on Composite Materials, Venice, Jun 24-28., 2012
Al-Gaadi B: Szőtt kompozit-erősítő szerkezetek 3D-s deformációs tulajdonságainak elemzése., BME, PhD értekezés, Budapest (benyújtva 2012. december), 2013
Molnár K; Kostakova E; Mészáros L: The effect of needleless electrospun nanofibrous interleaves on mechanical properties of carbon fabrics/epoxy laminates., Express Polym Lett 8: 62-72, 2013
Molnár K; Nagy ZK; Marosi Gy; Mészáros L: Elektrosztatikus szálképző fej és módosított eljárás nanoszálak termelékeny előállítására., P1200677 (Találmányi bejelentés száma), 2012
Al-Gaadi B; Halász M: Deformation Analysis of Composite Reinforcing Fabrics through Yarn Pull-out, Drape and Shear Tests., Fiber Polym 14: 804-814, 2013
Kovács AC, Huszár ZA, Tamás P, Vas LM, Halász M, Al-Gaadi B, Cherkaoui O, Dalal M: Analysis and modelling the building components of a flexible composite fabric., Szóbeli előadás, 3rd International Joint Conference on Environmental and Light Industry Technologies, Budapest, Nov 21-22., 2012
Al-Gaadi B; Halász M: Effects of yarn-yarn friction on shear behaviour and on drapability of reinforcing fabrics,, Fiber Polym (benyújtva 2012), 2012
Geršak J; Halász M; Tamás P; Kokas-Palicska L: Complex fabric deformation and clothing modeling in 3D, Lambert Academic Publishing, p. 272., 2013
Fejős M; Molnár K; Karger-Kocsis J: Epoxy/Polycaprolactone Systems with Triple-Shape Memory Effect: Electrospun Nanoweb with and without Graphene Versus Co-Continuous Morphology, Materials 6: 4489-4504, 2013
Molnár K; Szolnoki B; Vas LM; Toldy A: Thermochemical stabilization study of continuously electrospun carbon nanotube-loaded polyacrylonitrile nanofibers for high performance carbon nanofiber mass production, J Therm Anal Calorim (bírálat alatt), 2013
Molnár K; Szebényi G; Szolnoki B; Marosi Gy; Vas LM; Andrea T: Enhanced conductivity composites for aircraft applications: carbon nanotube inclusion both in epoxy matrix and carbonized electrospun nanofibers, Polym Adv Technol (bírálat alatt), 2013
Nagy ZsK; Wagner I; Suhajda Á; Tobak T; Harasztos AH; Pataki H; Molnár K; Marosi Gy: Nanofibrous solid dosage form of living bacteria prepared by electrospinning, Express Polym Lett; 8: (megjelenés alatt), 2014
Halász M; Vas LM; Tamás P; Kovács A; Huszár Zs; Al-Gaadi B; Molnár K; Cherkaoui O; Dalal M: Fiber bundle cells based modeling of woven reinforcements, p. 9 in: Proceedings of 13th AUTEX World Textile Conference, Dresden, May 22-24, 2013
Halász M; Vas LM; Tamás P; Molnár K: Analyzing the tensile behaviour of fabrics based on fiber bundle models, pp. 123-128 In: Proceedings of 4th ITMC International Conference, Lille, 9-11 October, 2013
Tatár N; Halász M; Vas LM; Tamás P: Optical methods for measuring the flexibility of coated fabrics, p. 10 in: Proceedings of 4th International Joint Conference on Environmental and Light Industry Technologies, Budapest, 20-21 November, 2013
Kovács ACs; Tamás P; Vas L. M; Halász M; Molnár K; Cherkaoui O; Dalal M: The effect of the relative weaving factor and the texture of the fabric to the bending properties, p. 8 in: Proceedings of 4th International Joint Conference on Environmental and Light Industry Technologies, Budapest, 20-21 November, 2013
Molnar K; Halász M; Vas LM: Apparatus for measuring the shear properties of reinforcements, pp. 221-226 in: Proceeding of 4th ITMC Lille Metropole 2013 International Conference, Roubaix, 9-11 October, 2013
Molnár K; Halász M; Vas LM: Determination of shear properties and yarn pull-out behavior of textiles by novel apparatus, p. 7 in: Proceedings of 4th International Joint Conference on Environmental and Light Industry Technologies, Budapest, 20-21 November, 2013
Bakonyi P; Vas LM: Glass Fiber Content Dependent Flexural Creep Behavior of Polypropylene Composite, pp. 171-176 in: Proceeding of 4th ITMC Lille Metropole 2013 International Conference, Roubaix, 9-11 October, 2013, 2013
Gelencsér A: Polipropilén és üvegszálerősítésű kompozitjának hőmérsékletfüggő, hajlító igénybevételű kúszási tulajdonságainak elemzése, BME, diplomamunka, 2013
Henczi A: Fröccsöntött, mag-héj szerkezetű próbatestek kúszási tulajdonságainak elemzése, BME, diplomamunka, 2013
Vargyas A: Polipropilén és kompozitjainak húzó igénybevételű kúszásvizsgálata, BME, szakdolgozat, 2013
Bertalan A: Ortotróp kompozit erősítőanyagok húzó és nyírási tulajdonságainak vizsgálata és elemzése, BME, diplomamunka, 2013
Kovács TI: Szén nanoszálakkal társított hibrid kompozitok fejlesztése és éghetőségi vizsgálata, BME, diplomamunka, 2013
Pataki M: Polimer nanoszálak előállítására alkalmas elektro-szálképző berendezés és eljárás fejlesztése, BME, diplomamunka, 2013
Tóth LF: Szénszál/szén nanocső/szén nanoszál erősítésű hibrid kompozitok fejlesztése repüléstechnikai alkalmazásokhoz, BME, szakdolgozat, 2013
Farkas B: Textíliák nyírási tulajdonságainak meghatározása és elemzése, BME, szakdolgozat, 2013
Sikari B: Szálas anyagok anyagparamétereinek meghatározása szimuláció alapján optikai kihajlásmérő berendezéssel, BME, diplomamunka, 2013
Kovács A: Drapéria térelem tervezése, BME, szakdolgozat, 2013
Tatár N: Hajlékony lapszerű anyagok hajlításmérési módszereinek összehasonlítása, BME, TDK dolgozat, 2013
Katona Á: Textília szimulációja grafikus processzoron, BME, TDK dolgozat, 2013
Katona Á.: Textíliák dinamikus szimulációja térbeli rugórendszer alkalmazásával, BME, szakdolgozat, 2013
Bakonyi P: Polimerek, polimer kompozitok tartós idejű kúszási viselkedésének elemzése, BME, PhD értekezés, 2013
Molnár K: Elektro-szálképzett nanoszálas szerkezetek és kompozitjaik, BME, 2013
Molnár K; Kostakova E; Mészáros L: The effect of needleless electrospun nanofibrous interleaves on mechanical properties of carbon fabrics/epoxy laminates., Express Polym Lett 8: 62-72, 2014
Molnár K; Nagy ZK; Marosi Gy; Mészáros L: Elektrosztatikus szálképző fej és módosított eljárás nanoszálak termelékeny előállítására., P1200677 (Találmányi bejelentés száma); benyújtva 2012, 2014
Molnár K; Szolnoki B; Vas LM; Toldy A: Thermochemical stabilization study of continuously electrospun carbon nanotube-loaded polyacrylonitrile nanofibers for high performance carbon nanofiber mass production, J Therm Anal Calorim 117:3 pp. 1123-1135, 2014
Molnár K; Szebényi G; Szolnoki B; Marosi Gy; Vas LM; Andrea T: Enhanced conductivity composites for aircraft applications: carbon nanotube inclusion both in epoxy matrix and carbonized electrospun nanofibers, Polym Adv Technol 25 (9) 981-988, 2014
Nagy ZsK; Wagner I; Suhajda Á; Tobak T; Harasztos AH; Pataki H; Molnár K; Marosi Gy: Nanofibrous solid dosage form of living bacteria prepared by electrospinning, Express Polym Lett; 8:5 pp. 352-361., 2014
Bakonyi P; Vas LM: Glass Fiber Content Dependent Flexural Creep Behavior of Polypropylene Composite, pp. 171-176 in: Proceeding of 4th ITMC Lille Metropole 2013 International Conference, Roubaix, 9-11 October, 2013
Bakonyi P: Polimerek, polimer kompozitok tartós idejű kúszási viselkedésének elemzése, BME, PhD értekezés, védés: 2014., 2013
Molnár K: Elektro-szálképzett nanoszálas szerkezetek és kompozitjaik, BME, védés: 2014, 2013




Back »