Competitive interactions in functional polymer systems  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108934
Type K
Principal investigator Bódiné Fekete, Erika
Title in Hungarian Kompetitív kölcsönhatások funkcionális polimer rendszerekben
Title in English Competitive interactions in functional polymer systems
Keywords in Hungarian deszikkáns, természetes antioxidánsok, kontrollált leadás, vízszorpció, funkcionális polimer kompozit
Keywords in English desiccant, natural antioxidant, controlled release, watersorption, functional polymer composite
Discipline
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)70 %
Ortelius classification: Macromolecular chemistry
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences, Hungarian Academy of Sciences)
Participants Bere, József
Bódis, Eszter
Hári, József
Hegyesi, Nóra
Kun, Dávid
Móczó, János
Pukánszky, Béla
Starting date 2013-09-01
Closing date 2017-08-31
Funding (in million HUF) 26.850
FTE (full time equivalent) 7.98
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 csomagolástechnikában egyre inkább terjednek a különleges tulajdonságokkal rendelkező polimerek, amik az adott felhasználásnak megfelelő funkcionális szerepet látnak el. Az ilyen funkcionális polimerekből aktív csomagolóanyagok készíthetők, melyekkel a termék hosszú idejű védelme biztosítható. A gyógyszeriparban használatos csomagolóanyagoknak speciális igényeket kell kielégíteni, többek között a termék nedvességtől való megóvását. Ezt deszikkánsok segítségével oldják meg az ipari gyakorlatban. A deszikkánsok olyan higroszkopikus porok, amik képesek a levegőben lévő vízgőz megkötésére. A gyógyszerrel való közvetlen érintkezésüket a deszikkánsok polimerbe ágyazásával kerülhetjük el. Az élelmiszer csomagolásban elterjedt poliolefinek a feldolgozás és felhasználás során degradálódhatnak, ami a csomagolóanyag záróképességének és mechanikai tulajdonságainak romlásához vezet. A degradációt jelenleg olyan szintetikus stabilizátorokkal szorítják vissza, melyek egészségügyi hatása kérdéses. Az elmúlt években több természetes antioxidáns hatékonyságát bizonyítottuk, de problémát okozott a stabilizátorok polimerben való diszpergálhatósága, erős színező hatása és a nem megfelelő idejű stabilizálás. Az antioxidánsok tárolására és elnyújtott leadására alkalmas nanocsövek felhasználásával olyan poliolefin nanokompozitokat készíthetünk, melyek hosszú idejű stabilitását természetes antioxidánsokkal biztosíthatjuk. Az aktív csomagoló anyagok funcionalitását meghatározó paraméterek megállapításához elengedhetetlen az alkalmazott töltőanyagok szemcseszerkezeti jellemzőinek, a rendszerben fellépő kompetitív kölcsönhatásoknak és a kompozitok szerkezetének feltérképezése.

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 célja aktív csomagolóanyagként alkalmazható polimer kompozitok funkcionalitását meghatározó tényezők megismerése. Különböző szemcsemérettel és fajlagos felülettel rendelkező, eltérő kémiai összetételű deszikkánsokból készített polimer kompozitok esetében vizsgáljuk, hogy a deszikkáns felületi jellemzői, és egyéb szemcseszerkezeti paraméterei hogyan befolyásolják a kompozitban fellépő határfelületi kölcsönhatásokat, a kompozitok szerkezetét, és tulajdonságait, elsősorban a kompozit vízmegkötő képességét. Tanulmányozzuk továbbá természetes antioxidánsok halloysite nanocsöveken történő ad- és deszorpciójának mechanizmusát és kinetikáját. A megkötött antioxidánsokat tartalmazó nanocsövekből polimer kompozitokat készítünk, és meghatározzuk a kompozitok tulajdonságait és stabilitását. Összefüggéseket keresünk a komponensek (polimer, töltőanyag, stabilizátor) jellemzői, a kompozitban ható kölcsönhatások, valamint a kompozit makroszkopikus szerkezete és jellemzői között.

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 elméleti és gyakorlati szempontból egyaránt fontos. A polimer kompozitok jellemzői és funkcionalitása, továbbá a kompozitok szerkezete, valamint a rendszerben ható határfelületi kölcsönhatások közötti összefüggések megismerése lehetővé teszi bármilyen polimer kompozit tervezését. A kutatás során megszerzett ismeretek alapján lehetővé válik optimális mechanikai és vízszorpciós tulajdonságokkal rendelkező, a gyógyszeriparban is alkalmazható kompozitok kidolgozása, valamint hosszú idejű stabilitással rendelkező, szintetikus stabilizátort nem tartalmazó csomagolóanyag kifejlesztése.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A műanyagoknak, melyek életünk szerves részét képezik igen jelentős részét használják fel csomagolóanyagként. A gyógyszeriparban használatos csomagolóanyagoknak speciális igényeket kell kielégíteni, többek között a termék nedvességtől való megóvását. Ezt szárítószer segítségével oldják meg az ipari gyakorlatban. A szárítószer olyan anyag, ami képes a levegőben lévő vízgőz megkötésére és ezáltal száraz légkör biztosítására a csomagoláson belül. A szárítószerek általában por formájúak, így meg kell akadályozni a gyógyszerrel való érintkezésüket a csomagoláson belül. Ennek egyik lehetősége, hogy a szárítószert a műanyagba ágyazzuk. Ha megismerjük a szárítószerek tulajdonságai és a szárítószert tartalmazó műanyagok vízmegkötő képessége közötti, kapcsolatot, akkor képesek leszünk előállítani a gyógyszeriparban is alkalmazható műanyag csomagolóanyagot. Az élelmiszer csomagolásban elterjedt műanyagok a felhasználás során elöregszenek, ami a csomagolóanyag tulajdonságainak romlásához vezet. Ezt jelenleg olyan szintetikus adalékanyagokkal akadályozzák meg, melyek egészségügyi hatása kérdéses. Az elmúlt években több természetes adalékanyag hatékonynak bizonyult a műanyagok stabilizálására, de problémát okozott az adalékok műanyagban történő diszpergálása, erős színező hatása és a nem megfelelő idejű stabilizálás. Léteznek olyan belső üregekkel rendelkező ásványi töltőanyagok, amik magukba képesek zárni, majd kontrollált sebességgel kibocsátani a stabilizáló adalékokat. A stabilizáló szerrel megtöltött ásványi anyagok felhasználásával olyan műanyag csomagoló anyagokat készíthetünk, melyek hosszú idejű stabilitását természetes adalékokkal biztosíthatjuk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Recently functional polymers have emerged in packaging industry. Active packaging can offer special protection of the packaged products. Packaging used in the pharmaceutical industry must satisfy special requirements. One of these requirements is the protection of the product from moisture. This condition is achieved by the use of desiccants in industrial practice. Desiccants are hygroscopic compounds which adsorb moisture from air and provide dry environment within the package. Most of these materials are powders thus any contact between the drug and the desiccant must be prevented in the package. One of the possibilities to achieve this is the incorporation of the desiccant into a polymer. Polyolefins are commodity polymers applied frequently as food packaging materials. Without adequate stabilization, processing and application lead to degradation reactions in these polymers. Synthetic antioxidants are used to hinder these reactions, but because of the health and safety issues related to the application of them the interest is focused on the use of natural antioxidants. Some natural antioxidants are proved to be effective in PE stabilization. The good dispersibility and the long-term stabilizing effect of these antioxidants in the polyolefins could be improved with the aid of nanotube carriers, which are capable for storing and controlled releasing of stabilizers. Very limited theoretical information is available on functional polymer composites. The goal of project is the determination of the factors influencing the functionality of these systems, studying the interactions acting in the composites and the determination of interaction-structure-property correlations.

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 goal of the study is the determination of the factors influencing the functionality of polymers modified with desiccants or halloysite nanotubes filled with natural antioxidant. The determination of the interfacial interactions developing among the components in composites, and the effect of composite structure on properties, especially on the sorption capacity of the fillers and the functionality of the composites will be carried out. Interactions will be changed by the surface modification of the fillers and the effect of surface treatment on composite properties will be studied. Desiccants with different particle size, specific surface area and chemical composition and halloysites filled with different natural antioxidants will be used for the preparation of the composites, and correlations among the physical characteristics of the fillers, and the structure as well as properties of the composites will be investigated.

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 project can yield important results both from the theoretical and the practical point of view. The determination of correlations among the structure of the polymer composites, the interfacial interactions developing among the components and composite properties as well as the functionality of composites can use in the planning of functional polymer composites as active packaging materials. These results may give guidelines to develop composites corresponding to the requirements of the pharmaceutical industry and food packaging materials. Additionally, we hope to find possible correlations between interfacial interactions and adsorption processes of water or natural antioxidants on the investigated fillers.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Plastics constitute an important part of our life and a large amount of them is used as packaging materials today. Active packaging can offer special protection of the packaged products. Packaging used in the pharmaceutical industry must satisfy special requirements. One of these requirements is the protection of the product from moisture. This condition is achieved by the use of desiccants in industrial practice. Desiccants are hygroscopic compounds which adsorb moisture from air and provide dry environment within the package. Most of these materials are powders thus any contact between the drug and the desiccant must be prevented in the package. One of the possibilities to achieve this is the incorporation of the desiccant into a polymer. Polymers are also applied frequently as food packaging materials. Without adequate stabilization, processing and application lead to degradation of polymers. Synthetic additives are used to hinder these reactions, but because of the health and safety issues related to the application of them the interest is focused on the use of natural additives. The good dispersibility and the long-term stabilizing effect of these natural additives in the polymers could be improved with the aid of minerals, which are capable for storing these additives in their lumens. Filling polymers with the minerals containing natural additives packaging materials with long-term stability can be developed.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A pályázat keretében különböző funkcionális polimer kompozitokat tanulmányoztunk, hogy meghatározzuk azokat a paramétereket, amik funkcionális tulajdonságaikat befolyásolják. A csomagoláson belüli víztartalom szabályozására alkalmas polimer kompozitokat készítettünk különböző deszikkánsok (zeolitok, kalcium-oxid, hibrid deszikkánsok, keményítő, szuperabszorbens) felhasználásával, és tanulmányoztuk a kompozitok víz szorpcióját. A legtöbb kompozit vízfelvétele Fick II. típusú diffúzióval volt modellezhető, a CaO tartalmú kompozitok esetében azonban egy ettől eltérő modellt kellett alkalmazni. Megállapítottuk, hogy a kompozitok vízfelvételi kapacitását a deszikkáns típusa és mennyisége határozza meg és független a polimer típusától. Ezzel szemben a vízfelvétel sebességére döntő hatása van a polimer szabadtérfogatának. A pályázat keretében természetes antioxidánssal (kvercetin) felületkezelt halloysit nanocsövet tartalmazó polietilén kompozitokat is készítettünk, és vizsgáltuk, hogy a nanocsövek alkalmasak-e a stabilizátor kontrollált leadására. Részletesen tanulmányoztuk a halloysit ásványt és adszorpciós-deszorpciós vizsgálatokat végeztünk a halloysit/kvercetin mintákon, valamint mértük az előállított kompozitok stabilitását. Megállapítottuk, hogy közel 4 m/m% kvercetin tartalomig a halloysite irreverzibilisen megköti a kezelőszert, de ennél nagyobb stabilizátor tartalomnál már képes kontrolláltan leadni azt a polietilénben, elnyújtott stabilitást biztosítva ezáltal.
Results in English
Thanks to the project K 108934 we managed to study different functional polymer composites in order to determine the factors affecting the functional properties of them. Intensive research was done on desiccant composites controlling the humidity of packaged wares. Composites were prepared using different polymers and desiccants (zeolites, calcium-oxide, hybrid desiccants, starch, superabsorbent). Characteristics of polymers, desiccants and the composites were thoroughly investigated. The water uptake of polymer composites in the most cases could be modeled by Fickian diffusion, but for the composites prepared with CaO desiccant another diffusion-relaxation model proved to be right. The result showed that the water sorption capacity of polymer/desiccants composites depended on the type and amount of desiccant present in the composite, but is independent of the type of polymer used. The rate of sorption, however, is determined strongly on the specific free volume of the polymer. In the project the halloysite nanotubes used as potential carrier material for the controlled release of a stabilizer (quercetin) in polyethylene were also exhaustively characterized with several techniques. The results proved that up to about 4.0 m/m % loading, quercetin is bonded very strongly to the halloysite surface. As a consequence, the dissolution of the active molecules into the PE is impossible, but above this concentration a controlled release of the stabilizer can be achieved.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108934
Decision
Yes





 

List of publications

 
Hári J: Polymer/silicate nanocomposites: competitive interactions and functional application, PhD thesis, BME, Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2017
Kenyó Cs; Kajtár DA; Renner K; Kröhnke C; Pukánszky B: Functional packaging materials: Factors affecting the capacity and rate of water adsorption in desiccant composites, J Polym Res 20:294. 1-8, 2013
Kenyó C; Hári J; Renner K; Kröhnke C; Pukánszky B: Effect of Matrix Characteristics on the Properties of High-Impact Polystyrene/Zeolite Functional Packaging Materials, Ind Eng Chem Res 53: 19208−19215, 2014, 2014
Kenyó Cs; Renner K; Móczó J; Fekete E; Kröhnke C; Pukánszky B: Effect of desiccant characteristics on the properties of PS/zeolite functional packaging materials, Polym Compos 35: 2112-2120, 2014
Kajtár DA; Kenyó Cs; Renner K; Móczó J, Fekete E, Kröhnke C; Pukánszky B: Interfacial interactions and reinforcement in thermoplastics/zeolite composites, Compos Part B-Eng 114:386-394, 2017
Hári J; Polyák P; Mester D; Mičušík M; Omastová M, Kállay M; Pukánszky B: Adsorption of an active molecule on the surface of halloysite for controlled release application: Interaction, orientation, consequences, Appl Clay Sci 132-133:167-174, 2016
Hári J; Gyürki Á; Sárközi M; Földes E; Pukánszky B: Competitive interactions and controlled release of a natural antioxidant from halloysite nanotubes, J Colloid Interf Sci 462: 123-129, 2016, 2016
Kenyó C; Renner K; Móczó J; Fekete E; Kröhnke C; Pukánszky B: HIPS/zeolite hybrid composites as active packaging materials: Structure and functional properties, submitted to Eur polym J, 2018
Müller P; Bere J; Fekete E; Móczó J; Nagy B; Kállay M; Gyarmati B; Pukánszky B: Interactions, structure and properties of PLA/plasticized starch blends, Polymer 103:9-18, 2016
Fekete E; Kun D; Móczó J: Thermoplastic starch/wood composites: effect of processing technology, interfacial interactions and particle characteristics, Periodica Polytechn Chem Eng (accepted), 2018
Móczó J; Kun D; Fekete E: Desiccant effect of starch in PLA, Ind Crop Prod (under review), 2018
Kalocsai Tibor (témavezető: Móczó János): PLA-keményítő és PLA-lágyított keményítő rendszerek: deformációs folyamatok és határfelületi kölcsönhatások, Szakdolgozat, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2016, 2016
Verasztó Ferenc (témavezető:Fekete Erika): A glicerin tartalom hatása a PLA/keményítő kompozitok tulajdonságaira, Szakdolgozat, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2016
Kenyó Cs; Kajtár DA; Renner K; Kröhnke C; Pukánszky B: Functional packaging materials: Factors affecting the capacity and rate of water adsorption in desiccant composites, J Polym Res 20: 1-8, 2013
Bella Éva (témavezető: Fekete Erika): TPS/agar-agar keverékek előállítása és jellemzése, Diplomamunka, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2017
Kenyó Cs; Renner K; Móczó J; Fekete E; Kröhnke C; Pukánszky B: Effect of desiccant characteristics on the properties of PS/zeolite functional packaging materials, Polym Compos doi: 10.1002/pc.22873, 2014
Jenei Andrea (témavezető: Fekete Erika): TPS/Nátrium-alginát keverékek készítése és jellemzése, Szakdolgozat, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2017
Bere J; Rácz Á; Fekete E; Pukánszky B: Hibrid deszikkáns rendszert tartalmazó funkcionális csomagolóanyagok, Muanyag Gumi 51: 231-236, 2014
Bere J; Fekete E: Functional biopolymer blends and composites, BiPoCo 2014, August 24-28, Visegrád, Hungary, 2014
Hári J; Polyák P; Pukánszky B: Haloysite nanotubes as functional filler in polymer nanocomposites, Oláh György Doktori Konferencia, 2014. február 6., Budapest, poszter, 2014
Miskei Cs; Horváth Zs; Hári J; Pukánszky B: PLA/halloysite nanocomposites - effect of processing conditions on the structure and properties, BiPoCo 2014, August 24-28, Visegrád, Hungary, 2014
Müller P; Kapin É; Fekete E: Effects of preparation methods on the structure and mechanical properties of wet conditioned starch/montmorillonite nanocomposite films, Carbohydrate Polym 113: 569-576, 2014
Kenyó Cs; Renner K; Móczó J; Fekete E; Kröhnke C; Pukánszky B: Effect of desiccant characteristics on the properties of PS/zeolite functional packaging materials, Polym Compos 35: 2112-2120, 2014
Kocsis K; Polyák P; Hári J; Janecska T; Földes E; Pukánszky B;: Természetes antioxidánssal módosított halloysit nanocső stabilizáló hatásának vizsgálata polietilénben, Muanyag Gumi 51: 395-399, 2014
Hári J; Gyürki Á; Sárközi M; Földes E; Pukánszky B: Competitive interactions and controlled release of a natural antioxidant from halloysite nanotubes, submitted to J. Colloid Interface Sci. (under minor revision)., 2015
Kajtár DA; Kenyó Cs; Renner K; Móczó J, Fekete E, Kröhnke C; Pukánszky B: Interfacial interactions and reinforcement in thermoplastics/zeolite composites, submitted to Compos Sci Technol, 2016
Jeney Balázs (témavezető: Fekete Erika): Szuperabszorbenst tartalmazó polimer kompozitok vizsgálata, Szakdolgozat, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2015
Rácz Ágnes (témavezető: Fekete Erika): Hibrid deszikkánst tartalmazó polietilén kompozitok tanulmányozása, Szakdolgozat, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2015
Bella Éva (témavezető: Fekete Erika): Funkcionális biopolimer keverékek, Szakdolgozat, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2015
Gyürki Ádám (témavezető: Pukánszky Béla, Hári József): Természetes antioxidánssal módosított halloysit nanocsövek vizsgálata, Diplomamunka, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2015
Hári J; Gyürki Á; Sárközi M; Földes E; Pukánszky B: Competitive interactions and controlled release of a natural antioxidant from halloysite nanotubes, J Colloid Interf Sci 462: 123-129, 2016, 2016
Kajtár DA; Kenyó Cs; Renner K; Móczó J, Fekete E, Kröhnke C; Pukánszky B: Interfacial interactions and reinforcement in thermoplastics/zeolite composites, submitted to Compos Part B-Eng, 2016
Bere J: Csomagoljunk lebomlóba - Keményítő alapú polimerek, Élet Tudomány, 2015
Hári J; Polyák P; Mester D; Mičušík M; Omastová M, Kállay M; Pukánszky B: Adsorption of an active molecule on the surface of halloysite for controlled release application: Interaction, orientation, consequences, Appl. Clay Sci. (accepted), 2016
Kenyó Cs: Active Packaging Materials: Factors, Mechanism, Efficiency, PhD thesis, BME, Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2015
Müller P; Bere J; Fekete E; Móczó J; Nagy B; Kállay M; Gyarmati B; Pukánszky B: Interactions, structure and properties of PLA/plasticized starch blends, Polymer (accepted), 2016
Sziklai Kristóf (témavezető: Fekete Erika): Deszikkánst tartalmazó polietilén kompozitok előállítása és vizsgálata, Diplomamunka, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2016
Angyal Lilla: Szerkezet/tulajdonság összefüggések TPS/rétegszilikát nanokompozit filmekben, Diplomamunka, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2016
Angyal L; Fekete E: Effect of interfacial interactions on the structure and properties of thermoplastic starch (TPS)/clay nanocomposites, BiPoCo 2016, August 28- September 1, Szeged, Hungary, 2016
Móczó J; Kun D; Fekete E: Desiccant effect of starch in PLA, Submitted to Eur Polym J, 2017
Jeney Balázs (témavezető: Fekete Erika): Hibrid deszikkánst tartalmazó PMMA kompozitok tanulmányozása, Diplomamunka, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2017





 

Events of the project

 
2017-12-15 13:20:38
Résztvevők változása
2016-02-29 14:28:02
Résztvevők változása
2015-09-21 16:57:45
Résztvevők változása
2013-10-11 13:31:53
Résztvevők változása




Back »