Development of flame retarded composites of reduced additive content for upgrading of recycled PET  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109224
Type K
Principal investigator Ronkay, Ferenc
Title in Hungarian Csökkentett adaléktartalmú égésgátolt kompozitok fejlesztése reciklált PET értéknövelése érdekében
Title in English Development of flame retarded composites of reduced additive content for upgrading of recycled PET
Keywords in Hungarian PET, mechanikai tulajdonságok, égésgátlás, montmorillonit, habosítás
Keywords in English PET, mechanical properties, flame retardancy, montmorillonite, foaming
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 Bodzay, Brigitta
Bordácsné Bocz, Katalin
Czigány, Tibor
Dogossy, Gábor
Kiss, Zoltán
Molnár, Kolos
Toldy, Andrea
Starting date 2013-09-01
Closing date 2016-08-31
Funding (in million HUF) 15.962
FTE (full time equivalent) 6.10
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 kutatás fő célkitűzése olyan – csökkentett mennyiségű adalékok alkalmazásával – értéknövelt kompozitok kifejlesztése, ami megoldást jelenthet többek között az évről-évre nagyobb mennyiségben keletkező PET hulladékok Magyarországon történő újrahasznosítására is. A PET egy olyan értékes műanyagtípus, melynek újrahasznosítása - jó szilárdsági tulajdonságai miatt - nem csupán távol-keleten (pl. szálgyártás formájában) kívánatos. A Magyarországon éves szinten keletkező közel 20 ezer tonna hulladék-anyagból akár jobb minőségű – autóiparban és építőiparban is használható – termékek költséghatékony gyártása is megoldható lenne, a megfelelő felhasználási területek igényeit kielégítő tulajdonságok biztosításával.
A kutatás lényege ezért olyan kompozitok fejlesztése, melynek értéke a javított tulajdonságaik (mint pl. növelt mechanikai tulajdonságok, égésgátoltság) miatt magasabb, alkalmazási területük ezáltal szélesebb, előállításuk pedig gazdaságosabb. A cél elérése érdekében a hagyományos erősítő- és adalékanyagok (pl. üvegszálerősítés, stabilizátorok) mellett égésgátló adalékokat, nano-agyagásványokat és újfajta erősítőanyagokat tervezünk használni. A tervezett alkalmazási terület függvényében a követelmények teljesítse érdekében a különböző adalékok mennyiségének optimalizálására (minimalizálására) van szükség. Alapvető cél minden esetben a megfelelő mechanikai tulajdonságokon és csökkentett éghetőségen túl, az UV stabilitás és az antisztatikus viselkedés elérése. A kifejlesztett anyagok habosíthatóságának kutatása ugyanúgy a projekt szerves részét képezik, mint a PET más műanyagokkal történő keveredése során kialakuló polimer blendek tulajdonságainak feltérképezése is.

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 alapkérdése, hogy milyen módon, milyen adalék szinergetikus hatásával, milyen felületkezeléssel, vagy kompatibilizálással oldható meg a PET együttes erősítése és égésgátlása a lehető legalacsonyabb adaléktartalom mellett. Kimutatható-e szinergizmus a nano-agyagásványok, erősítőanyagok és a környezetbarát (foszfor tartalmú) égésgátlók, pl. a telített poliészteknél széles körben alkalmazott fém-foszfinátok között. További megválaszolandó kérdés, hogy a mechanikai tulajdonságok javítására használni kívánt üvegszálas erősítés égésgátlásra gyakorolt negatív, milyen módon és mértékben lehet kompenzálni.
A PET habosítása szintén komoly kihívásokat tartogat, ugyanis a reciklált anyag viszkozitása és ömledékszilárdsága igen kicsi, ezért a kémiai habosítók által létrehozott habszerkezet a gyártás során többnyire könnyen összeomlik. Fontos kutatási kérdés, hogy nano-agyagásvány, vagy poliolefinek hozzáadásával a habosíthatóság javítható-e, a szükséges égésgátoltsági szint megtartása mellett. Vizsgálni tervezünk a PET-ben kémiai habosítószerekkel elérhető buborékképződés folyamatát extrudálás és fröccsöntés során.
A kutatás során fel kívánjuk tárni a különböző felületkezeléssel ellátott nano-szerkezetű agyagásványok hatását a mechanikai tulajdonságokra, az éghetőségére és az UV-stabilitására, valamint – a jelenségek magyarázata érdekében - vizsgálni fogjuk a különböző összetételű anyagok mechanikai- és morfológiai tulajdonságait.
A kutatás a mechanikai és égésgátlási szempontokon megcélozza a kifejlesztett anyagok UV állóságának, hő- és hangszigetelő tulajdonságainak, valamint antisztatizáltságának nyomon követését is.

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!

Jelen kutatás során kifejlesztett kompozitok – égésgátoltságuk miatt – kiszélesítik az újrahasznosított PET jelenlegi alkalmazási területeit az elektronikai-, építőipari és egyéb tűzveszélynek kitett területekre. A felderített hatásmechanizmusok feltehetően átültethetőek más típusú kompozitokra is, jelentős költségmegtakarítást eredményezve.
Az éghetőség csökkentése halogénmentes anyagokkal történik, hogy a kompozitok az egyre szigorodó környezetvédelmi előírásoknak hosszú távon is meg tudjanak felelni, valamint megfelelő stabilizálással rendelkezzenek, és továbbra is megoldható legyen az újrahasznosításuk.
A projekt során kifejlesztett PET kompaundok, amelyek nem csak mechanikai-, hőtani- és éghetőségi szempontból, hanem gazdasági megfontolásból (reciklált mátrix és a szinergetikus hatások miatt csökkentett mennyiségű adalék felhasználás) is versenyképes alternatívái lehetnek az elektronikában és az építőiparban eddig alkalmazott polimereknek. A megfelelő technológia rendelkezésre állása miatt nem lesz szükség a PET hulladékok távoli országokra való szállítására, mivel újrahasznosításuk a keletkezés helyén (Magyarországon) is gazdaságosan megvalósítható lesz.

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 fenntartható fejlődés sokunk számára a mindennapi életben a PET palackok szelektív gyűjtésén keresztül realizálódik. Gyakran felmerülő kérdés, hogy mi történik a továbbiakban ezekkel a műanyag termékekkel. Mivel élelmiszeripari terméket már nem praktikus belőle gyártani az esetleges szennyeződések miatt, jelenleg alapos válogatás és mosás után ledarálják és eladják külföldre, ahol poliészter-szálakat és textilipari termékeket készítenek belőle. Ennél azonban sokkal innovatívabb hasznosítás is megvalósítható lenne, akár Magyarországon is, mivel az anyag kitűnő mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik (egy 1,5 literes palack akár 6 bar nyomást is képes elviselni, ez majdnem háromszor akkora, mint amennyi egy átlagos autó kerekében van). A kutatás lényege ezért, olyan kompozitok fejlesztése, melynek tulajdonságai (mint pl. mechanikai tulajdonságok) megtarthatóak, vagy javíthatóak (égésgátoltság) csökkentett mennyiségű adalékok alkalmazásával, hogy az elektronikai termékekre vonatkozó szabványoknak is megfeleljen, így a másodlagos alapanyagból igen olcsón pl. jó minőségű TV alkatrészek gyárthatóak. További (pl. építőipari) felhasználási területek nyílnak, amennyiben az anyagból hab-szerkezetet hozunk létre, javítva ezzel az anyag zaj- és hőszigetelő képességét, a megfelelő égésgátoltság megtartása mellett.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main goal of this research project is the development of upgraded (reinforced, flame retarded) composites applying reduced amount of additives, which could offer a solution – among others – for recycling of PET waste in Hungary, whose amount increases year by year. PET is a valuable type of polymer, therefore its recycling is preferable owing to its prominent strength properties – not only in the Far East (e.g. in form of fibre production). The 20,000 tons of PET waste, annually produced in Hungary, could be recycled in a cost-effective way to manufacture good quality products fulfilling the requirements of automotive- and construction industrial applications.
The essence of the research is the development of value-added (upgraded) composites, by improving their properties (e.g. mechanical properties and flame retardancy), resulting in new application fields and economic production. For this purpose, besides conventional reinforcing, flame retardant agents and other additives/reinforcing materials (e.g. nano-sized clay minerals) are planned to be used. Considering the intended application fields, the optimization of the compositions is required (as the amount of the applied additives needs to be reduced).
Beyond reaching reduced flammability and suitable mechanical properties, our goal is to achieve enhanced UV-stability and antistatic behaviour.
The project comprises also the investigation of the foamability of the developed materials, in order to extend the potential application fields of the raw material. Furthermore, the properties of different PET blends, obtained by blending waste PET with other polymers, are planned to be examined.

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 fundamental question of this research is is to find the appropriate combination of additives to be used, leading to proper reinforcement and flame retardancy level at the same time, using only reduced amount of additives. Possible synergistic interactions between nano-sized clay mineral, reinforcing agent and conventional halogen-free flame retardants (e.g. metal phosphines, which are widely used in saturated polyesters) shoud be determined Further question to be answered is, how the negative effects of reinforcing glass fibre on the flame retardancy could be compensated.
The foaming of PET is also a serious challenge, as both the viscosity and mould strength of the recycled material is low, consequently the foam structure formed by chemical foaming agents collapses easily during the production. It is an important research issue, if the foamability of the polymer blends by application of montmorillonite or polyolefins can be improved maintaining the required level of flame retardancy.
Beyond the mechanical- and flame retardancy aspects, the research aims to investigate the changes in UV resistance, thermal- and sound insulation and the antistatic behaviour in case of suitable additives.
During this research the effect of different surface treated nano-structured clay minerals on the mechanical properties, flammability and UV stability is expected to be investigated; furthermore, – in order to explain the observed phenomena – the mechanical and morphological properties of different compositions will be examined.
New results are prospected from the acquisition of bubbling process obtained by chemical foaming agents in PET during extrusion and injection moulding.

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.

As the consequence of this research, the application field of the developed recycled PET composites became wider, and because of their reduced flammability they can be applied in electronic-, construction industry, and in other fields where fire safety is a serious requirement. The observed mode of action of different additives may work in other polymer systems as well, resulting significant cost-reduction.
The developments will be carried out with halogen-free components in order to meet the increasingly strict environmental regulations even for a long-term period., It also has to be mentioned, that the developed materials should be suitably stabilized and recyclable at the same time.
As the goal of the project is the production of such PET compounds, which can be competitive alternatives for recent polymers applied in the electronic and construction industry based not only on their mechanical-, thermal-, and flammability properties, but also from economic aspects (due to the recycled matrix and the needed lower amount of additives due to synergistic effects).
If an adequate technology is elaborated, there will be no further need to transport PET waste to other far countries, their recycling might be performed in the place of the formation, in Hungary.

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.

In our everyday life the sustainable development realizes mostly only in the selective collection of PET bottles. It is a frequently arising question: What happens to these plastic products later? Due to incidental impurities it is not practical to produce food industrial products from recycled PET. Currently, after thorough sorting and washing they get shredded and sold abroad, where polyester yarns and textile industrial products will be produced. However, there is a possibility to realize a more innovative recycling method, even in Hungary, as the material can be characterized by prominent mechanical properties (a 1,5 L PET bottle can withstand a pressure of 6 bar, which is almost three times more than the tire pressure of an ordinary car).
During the research improvement in other properties is also foreseen with application of reduced amount of additives, for example fire retardancy in order to meet the regulations of the electronic industry, and thus for example TV components of good quality, but at significantly lower cost, could be produced from the secondary raw materials.
Further application areas can be addressed by creating foam-structured material, with improved sound- and thermal insulating ability, suitable for application in construction industry as well. It is targeted to ensure adequate flame retardancy also in this case.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatás során új összefüggéseket tártunk fel a reciklált PET morfológiai és időfüggő mechanikai tulajdonságai között. Az anyagból égésgátolt nano-kompozitot fejlesztettünk, kihasználva az alumínium-polifoszfát és nátrium-motmorillonit közötti szinergikus kölcsönhatást. A fejlesztett kompozit csupán 6% adalékanyagot tartalmaz, ám UL94 szabvány szerinti besorolása V0, ami ígéretes lehetőséget biztosít az elektronikai iparban történő hasznosításra. Kísérleteket folytattunk az égésgátolt anyag üvegszálas erősítésének érdekében is. Kémiai és fizikai habosítással egyaránt sikeresen csökkentettük a reciklált PET sűrűségét, a megfelelő receptúrához molekulalánc-tömegnövelő és gócképző adalékokat optimalizáltunk. Vizsgáltuk a PET tartalmú polimer blendek mechanikai, morfológiai és éghetőségi tulajdonságait kompatibilizálószerrel és anélkül. Ennek során új módszereket fejlesztettünk ki a fázis-inverziós tartomány indirekt meghatározására. Új kísérleti berendezést fejlesztettünk ki, amellyel a homogenizált blendek oldószermentesen nagy tisztasággal szétválaszthatóak, akár több összetevő esetében is. A berendezés alkalmas kompatibilizálószer minősítésére is, polimer keverékek esetében. A kutatás eredményei a műanyagiparban már hasznosításra kerültek.
Results in English
Significant changes of morphological and mechanical properties of recycled PET are caused by technological parameters, not only by the molecular weight of regranulates. Correlation was found between morphology of injection molded samples and mechanical properties, and their change in the function of time. Flame retarded nanocomposites were developed using secondary PET as raw material. By utilizing the synergism between aluminium-phosphinates and nanoclays, self-extinguishing behaviour (UL94 V0 rating), LOI as high as 29,5 vol% and significantly reduced heat emission during combustion were achieved by using only 6 wt% additives. Low density, microcell foams from recycled PET was produced by using supercritical CO2. In order to achieve optimized cell-structure chain extender and nucleating agents are needed. Composition of flame retardant, foamed recycled PET was developed, based on chemical foaming agents. The range of phase inversion of an immiscible polymer blend can be detected indirectly with measuring the mould-shrinkage or determining the limiting oxygen index of blends. Two or more immiscible polymers can be separated from each other with a novel methode, where the process occurred in a melted state utilizing centrifugal force. The previously compaunded blend can be decomposed witas well. The new method can be suitable for predicting the adequacy of compatibilizer in polymer blends. Results of research project have already been utilized in the plastic industry.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109224
Decision
Yes





 

List of publications

 
Dobrovszky K.: Nem elegyedő polimer keverékek tulajdonságainak és ömledékállapotú szétválaszthatóságának elemzése, PhD értekezés (BME), (Témavezető: Ronkay Ferenc), nyilvános vitára elfogadva: 2016, 2016
Ronkay F., Dobrovszky K., Toldy A.: Műanyagok újrahasznosítása, Budapest: BME Gépészmérnöki Kar, 2015. 135 p. (ISBN:978-963-313-134-3), 2015, 2015
Dobrovszky K., Ronkay F: Alternative polymer separation technology by centrifugal force in a melted state., Waste Management; http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2014.05.006, 2014
Dobrovszky K., Ronkay F: Alternative polymer separation technology by centrifugal force in a melted state., Waste Management; http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2014.05.006, 2014
Dobrovszky K., Ronkay F.: Investigation of compatibilization effects of SEBS-g-MA on polystyrene/polyethylene blend with a novel separation method in melted state, Polymer Bulletin, 2016. pp 1–21. doi:10.1007/s00289-016-1618-2, 2016
Dobrovszky K., Ronkay F:: Effects of SEBS-g-MA on rheology, morphology and mechanical properties of PET/HDPE blends, International Polymer Processing - major revision, javítások elfogadására várakozik, 2015
Molnár B., Ronkay F.: Time dependence of morphology and mechanical properties of injection molded polyethylene-terephthalate, International Polymer Processing, közlésre elfogadva:2016, 2016
Molnár B.: The Effect of Technological Parameters on the Foaming of Injection Moulded Recycled PET, Acta Technica Jaurinensis Vol. 7., No.1., pp. 1-10, 2014 DOI: 10.14513/actatechjaur.v7.n1.219, 2014
Dobrovszky K., Csergő V., Ronkay F: Alternative, new method for predicting polymer waste stream contents, Material Science Forum - elfogadva, megjelenés alatt, 2014
Kasza D., Ronkay F.: Reciklált PET műszaki alkalmazhatósága, Műanyag és Gumi 51:(3) pp. 88-91. (2014), 2014
Ronkay F., Kasza D.:: Reciklált műanyagok az elektronikai iparban, Élet és Tudomány ISSN 0013-6077 - elfogadva, várható megjelenés: 2014, 2014
Dobrovszky K., Ronkay F:: Effects of SEBS-g-MA on rheology, morphology and mechanical properties of PET/HDPE blends, International Polymer Processing Vol. 30, No. 1, pp. 91-99. doi: 10.3139/217.2970, 2015
Dobrovszky K., Csergő V., Ronkay F: Alternative, new method for predicting polymer waste stream contents, Material Science Forum 812:247-252 DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.812.247, 2015
Ronkay F., Kasza D.:: Reciklált műanyagok az elektronikai iparban, Élet és Tudomány ISSN 0013-6077 - elfogadva, várható megjelenés: 2015, 2015
Dobrovszky K., Ronkay F.: Toughness Improvement in Ternary HDPE/PS/PET Polymer Blends with Compatibilizer, Acta Technica Jaurinensis Vol. 8 No. 1. DOI: 10.14513/actatechjaur.v8.n1.359, 2015
Dogossy G., Nagy V.: Újrahasznosított PET palack értéknövelése kémiai habosítással, In: Csibi-Venczel J (szerk.) OGÉT 2015 23rd International Conference on Mechanical Engineering. Csíksomlyó, Románia, 2015.04.23-2, 2015
Bocz K., Krain T., Marosi Gy.: Effect of particle size of additives on the flammability and mechanical properties of intumescent flame retarded polypropylene compounds, International Journal of Polymer Science Volume Article ID 493710, 7 pages; http://dx.doi.org/10.1155/2015/493710, 2015
Dobrovszky K., Szabó D., Ronkay F.: Műanyag keverékek ömledékállapotban történő szétválaszthatóságának vizsgálata, Polimerek HU ISSN 2415-9492, elfogadva, várható megjelenés: 2015, 2015
Dobrovszky K., Ronkay F.: Investigation of compatibilization effects of SEBS-g-MA on polystyrene/polyethylene blend with a novel separation method in melted state, Polymer Bulletin, major revision - várható megjelenés:, 2016
Dobrovszky K., Ronkay F:: Effects of SEBS-g-MA on rheology, morphology and mechanical properties of PET/HDPE blends, International Polymer Processing Vol. 30, No. 1, pp. 91-99. doi: 10.3139/217.2970, 2015
Dobrovszky K.: Élet a hulladékba kerülés után, IX. Szent-Györgyi Albert Konferencia 2015. ápr. 10-11., 2015
Iván G., Gere D.: PET degradációjának nyomon követése az újrahasznosítás során, IX. Szent-Györgyi Albert Konferencia 2015. ápr. 10-11., 2015, 2015
Molnár B., Ronkay F.: Time dependence of morphology and mechanical properties of injection molded polyethylene-terephthalate, Polymer Engineering and Science, benyújtva 2015-ben, 2016
Molnár B., Ronkay F.: The effect of mold temperature on chemical foaming of injection molded recycled polyethylene-terephthalate, Polymer Testing, benyújtva:2016, 2016
Bocz K., Krain T., Marosi Gy.: Effect of particle size of additives on the flammability and mechanical properties of intumescent flame retarded polypropylene compounds, International Journal of Polymer Science Volume Article ID 493710, 7 pages; http://dx.doi.org/10.1155/2015/493710, 2015
Dobrovszky K., Ronkay F.: Effects of phase inversion on mold shrinkage, mechanical and burning properties of injection molded PET/HDPE and PS/HDPE polymer blends., Polymer-Plastics Technology and Engineering, benyújtva 2016., 2016
Dobrovszky K., Csergő V., Ronkay F: Alternative, new method for predicting polymer waste stream contents, Material Science Forum 812:247-252 DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.812.247, 2015
Molnar B., Ronkay F.: Morphological and Mechanical Properties of Injection Molded Recycled Poly(ethylene terephthalate) Samples, AIP Conference Proceedings, közlésre elfogadva:2016., 2016
Molnar B., Ronkay F.: Investigation of morphology of recycled PET by modulated DSC., Material Science Forum, közlésre elfogadva:2016., 2016
Dobrovszky K., Ronkay F.: Influence of the phase inversion on mould-shrinkage, mechanical- and burning properties of polymer blend., Material Science Forum, közlésre elfogadva:2016., 2016
Dobrovszky K., Ronkay F.: Influence of morphology and compatibilizer on burning behavior of PET/HDPE blend., AIP Conference Proceedings, közlésre elfogadva: 2016, 2016
Dobrovszky K., Szabó D., Ronkay F.: Műanyag keverékek ömledékállapotban történő szétválaszthatóságának vizsgálata, Polimerek HU ISSN 2415-9492, Vol. 1. (2015), 155-160., 2015
Molnár B, Ronkay F.: Fröccsöntés során kialakuló szerkezet hatása eredeti és reciklált PET mechanikai tulajdonságaira., POLIMEREK 1:(4) pp. 124-128. (2015), 2015
Dobrovszky K, Budinszki B, Ronkay F.: Kompatibilizálószer hatása ps/hdpe polimer keverékek reológiai, morfológiai és mechanikai tulajdonságaira, GRADUS 3:(1) pp. 11-22. (2016), 2016
Gere D.: VEGYES POLIETILÉN FÓLIAHULLADÉK REOLÓGIAI TULAJDONSÁGAI, GÉP, benyútva:2016, 2016
Ronkay F., Kasza D.:: Reciklált műanyagok az elektronikai iparban, Élet és Tudomány ISSN 0013-6077 - elfogadva 2015, várható megjelenés: 2016, 2016
Gere D., Iván G., Molnár B., Ronkay F.: Reciklált pet költséghatékony gócképzési lehetőségei., XXIV. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2016, 2016
Dogossy G., Nagy V.: Újrahasznosított PET palack értéknövelése kémiai habosítással, In: Csibi-Venczel J (szerk.) OGÉT 2015 23rd International Conference on Mechanical Engineering. Csíksomlyó, Románia, 2015.04.23-2, 2015
Iván G., Gere D.: PET degradációjának nyomon követése az újrahasznosítás során, IX. Szent-Györgyi Albert Konferencia 2015. ápr. 10-11., 2015, 2015




Back »