Design of polypropylene with unique properties by modification of its crystalline structure based on quantitative structure-property correlations  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109346
Type PD
Principal investigator Kállay-Menyhárd, Alfréd
Title in Hungarian Különleges tulajdonságú polipropilén tervezése a kristályszerkezetének célzott módosításával mennyiségi szerkezet-tulajdonság összefüggések alapján
Title in English Design of polypropylene with unique properties by modification of its crystalline structure based on quantitative structure-property correlations
Keywords in Hungarian polipropilén, szerkezet-tulajdonság összefüggések, tulajdonságok tervezése
Keywords in English polypropylene, structure-property correlation, design of properties
Discipline
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)60 %
Ortelius classification: Macromolecular chemistry
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)40 %
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Department of Physical Chemistry and Materials Science (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2013-09-01
Closing date 2016-11-30
Funding (in million HUF) 11.424
FTE (full time equivalent) 2.44
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Munkánk során tanulmányozni kívánjuk az izotaktikus polipropilén (iPP) kristályos szerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolatot. A kutatásainkban elsősorban a mechanikai és optikai tulajdonságokat leginkább meghatározó tényezőket vizsgáljuk majd. A jelen munka keretén belül a laboratóriumunkban a β-módosulatú polipropilén területén végzett kutatásainkat is folytatjuk. Terveink szerint elvégezzük az összes kereskedelemben elérhető és laboratóriumi szinten előállított β-gócképző alapos összehasonlító vizsgálatát, mely során a gócképzők szelektivitását, hatékonyságát és a jelenlétükben kialakuló szerkezetet tanulmányozzuk. Új gócképzőket is előállítunk és minősítünk, melyek remélhetően a β-módosulat képződését segítik elő és. A vizsgálatokat azonos polimerben és vizsgálati körülmények között végezzük, mert ilyen típusú széleskörű és megbízható összehasonlító vizsgálat nem található meg az irodalomban. A fent említett vizsgálatok az iPP alap, és az alkalmazott kutatásának területein nagy fontossággal bírnak.

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.

Az izotaktikus polipropilént nagy mennyiségben gyártják és használják napjainkban mint tömegműanyag. Az elmúlt évtizedekben intenzíven tanulmányozták a kristályos szerkezetét és a kristályszerkezet kialakulásának jellegzetességeit. A témában megjelent nagy számú közlemény ellenére, csak kevés munka foglalkozott azzal, hogy mennyiségileg összekösse a PP kristályos szerkezetét és tulajdonságait. Molekuladinamikai számításokkal meghatározták a PP merevségét (kb. 40 GPa), azonban a gyakorlatban mindössze 2 GPa körüli értékek érhetők el. Kutatásunk során arra keressük a választ, hogy mi okozza ezt a nagy különbséget és mekkora az elérhető maximális merevség? Fontos kérdés továbbá, hogy a kristályos szerkezet hogyan befolyásolja a termék optikai tulajdonságát, hiszen számos felhasználás során átlátszó termék készítése a cél (például DVD tok). Megkíséreljük jellemezni az optikai tulajdonságokat leginkább befolyásoló tényezőket és természetesen megfelelő modell segítségével megpróbáljuk meghatározni az elérhető legkedvezőbb optikai tulajdonságokat is. A polipropilén β-módosulata is egyre inkább az ipar látókörébe kerül, és igen nagy lehet iránta az igény a jövőben. Ezért nagyon fontos a β-forma előállítási lehetőségeinek vizsgálata. A területen megszerzett tapasztalatainkat kívánjuk kamatoztatni ezen a területen.

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!

Az izotaktikus polipropilén napjaink egyik legdinamikusabban fejődő tömegműanyaga. Világszerte jelenleg is intenzíven tanulmányozzák a PP szerkezetét és tulajdonságait. Hazánkban a Tiszai Vegyi Kombinát nagy mennyiségben gyártja ezt a típusú polimert, tehát a sikeres alapkutatás hozzájárul hazánk egyik meghatározó nagyvállalatának sikeréhez. A jelen kutatás eredményei új távlatokat nyithatnak az olcsó és hazánkban is gyártott PP alkalmazásának kiszélesítésében. Lehetőség nyílik műszaki anyagok kiváltására, továbbá speciális területeken alkalmazhatóvá tehető egy olcsó tömegműanyag.

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 kutatás alapkérdése, hogy hogyan befolyásolja az polipropilén tulajdonságait a termék kristályos szerkezete. Hazánkban a Tiszai Vegyi Kombinát nagy mennyiségben gyártja ezt a műanyagot, és alapvető fontosságú, hogy az alkalmazott kutatásokon kívül alapkutatásokat is végezzünk ezen a területen. A kutatási téma kiemelkedő jelentőségű annak érdekében, hogy hazánk egyik nagyvállalata mögött világszínvonalú tudásbázissal rendelkező tudományos háttér álljon rendelkezésre. A kutatás során számos kérdésre keressük a választ:
-Mik a korlátai ennek a széleskörűen alkalmazott tömegműanyagnak?
-Hogyan javíthatók a mechanikai és optikai tulajdonságok a felhasználási terület szempontjából?
-Milyen mértékben javítható az ütésállóság a β-forma kialakításával?
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

This study is intended to investigate the correlation between the crystalline structure and the properties of isotactic polypropylene (iPP). Our research focuses mainly the influencing parameters of mechanical and optical properties of iPP. Furthermore, a comprehensive study will be carried out to compare the efficiency, selectivity and nucleation characteristics of all available β-nucleating agents using the same polymer and identical experimental conditions, because such reliable and comprehensive comparative study is not present in the literature. Trials will be carried out to synthesize novel nucleating agent with possible β-nucleation efficiency. The detailed analysis of the above-mentioned phenomenon has crucial importance from the point of view of fundamental and applied research as well.

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.

Isotactic polypropylene is used and applied in large quantity recently as a commodity polymer. Its crystalline structure and characteristics of crystallization were studied extensively during the past decades. Despite of the large number of articles published in this area, only few papers report quantitative correlation between crystalline structure and properties. The theoretical stiffness of PP (about 40 GPa) had been determined by molecular-dynamic calculations, however the stiffness of products fabricated form this polymers have significantly smaller modulus (around 2 GPa). We are looking for answering the large deviation between the theoretical and the practical values. In addition we would like to estimate the maximum stiffness achievable by modification of crystalline structure. Moreover, it is quite important recently how the crystalline structure affects the optical properties of the product, since this polymer is often used for production of transparent product (DVD cases for example). We are going to determine the most important factors influencing optical properties and establish a model, which links crystalline structure to optical properties quantitatively. Using the proposed model will be able to predict the most advantageous optical properties of PP. The interest for β-form of iPP increases nowadays, thus the detailed investigation of its preparation is important from industrial and scientific point of views.

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.

Isotactic polypropylene is a commodity polymer, which application and processing is developing dynamically nowadays. An intensive research area is dealing with the study of the structure and properties of this relatively cheap material. Its price-performance ratio is exceptionally advantageous. Tisza Chemical Works Ltd. is producing large quantity from this polymer, thus the successful research would assist the success of this company. This research would open new insight into the exploration of new applications and broadening the recent usage of PP produced in Hungary. In addition, some expensive engineering material could be replaced by a cheap and widely available polymer, which would lead to the significant decrease of packaging costs and price of commodity product.

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.

The basic idea of this research is the quantitative exploration of structure-property correlations in isotactic polypropylene. Tisza Chemical Works Ltd. produces large quantity from this material, thus it is important to perform applied as well and fundamental research in this area. The crucial importance of this topic is to provide high-level scientific background and support Tisza Chemical Works Ltd. Answers for several questions are going to be answered during our research:
-What are the practical limitation of stiffness of PP?
-How is it possible to enhance the mechanical and/or optical performance of this commodity polymer?
-What kind of unique property can be achieved in multi-component systems?





 

Final report

 
Results in Hungarian
Az elvégzett munka és az eredményeink alapján elmondható, hogy a pályázat munkatervében megfogalmazott célkitűzések teljesültek. Egy új empirikus egyenletet készítetünk, amely segítségével a kalorimetriás módon meghatározott kristályosság és lamella vastagság adatokból kiszámítható a rugalmassági modulus. Új számítási módszert dolgoztunk ki a kristályosodás során kialakuló gócok számának meghatározására a kalorimetriásan rögzített kristályosodási görbékből. Egy modellt mutattunk be, mellyel a polikristályos polimerek fényszórásának törvényszerűségeit írjuk le és reméljük, hogy a ez a modell alkalmas lehat a jövőben a termék homályosságának becslésére. Értékes eredményeket érünk el, melyekről 8 nemzetközi és 2 hazai közleményben, illetve 9 nemzetközi konferencián számoltunk be. Így az összes impakt faktoros cikk hatástényezője 28,129. A téma jelentőségét bizonyítja, hogy több mint 10 független hivatkozás érkezett ezekre a közleményekre annak ellenére, hogy nagy részük még kevesebb, mint két éve jelent meg. A kutatási terület iránt az ipari érdeklődés is igen nagy. Új iparilag is alkalmazható gócképzők fejlesztésére mindig nagy ipari igény mutatkozik, de jelenleg ez a terület próbálkozásos módon működik. A mi kutatásunk abban hoz újat, hogy a részletes szerkezet-tulajdonság összefüggéseinkkel az adott polimer lehetőségeit és korlátait is modellezni tudjuk anélkül, hogy nagy mennyiségű anyagot legyártanánk. Ez a megközelítés gyorsabbá és megbízhatóbbá teszi a fejlesztést.
Results in English
As a summary it can be established that the goals of our research were fulfilled. Novel empirical equation was presented which can be used for calculating modulus from crystallinity and lamella thickness data obtained by calorimetry. New calculation method was developed for determination of nucleus density from crystallization curve recorded in a calorimeter. A model was also proposed which describes the rules of light scattering in polycrystalline polymers. We hope that this model will be able to predict haze of the product after fine tuning. Valuable results were produced and 8 publications were presented in peer-reviewed Journals and 2 papers were published in Hungarian in Journal without impact factor. Accordingly, the cumulative impact factor of all publications is 28,129. The importance of the topic is proved by the fact that these publications were cited more than 10 times, in spite of that most of them were published in the latest two years. There is intensive industrial interest for our research area, because the development of new nucleating agent is always a hot topic in polymer industry. In addition the modeling of mechanical or optical properties as well as the prediction of limitations of a polymer provides always valuable information for industrial development. This new way of targeted development is interesting for the industry, which is proved by they interest in cooperation with our research group.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109346
Decision
Yes





 

List of publications

 
Menyhárd A, Suba P, László Z, Fekete HM, Mester Á O, Horváth Z, Vörös G, Varga J, Móczó J: Direct correlation between modulus and the crystalline structure in isotactic polypropylene, EXPRESS POLYM LETT 9: (3) 308-320, 2015
Menyhárd Alfréd, Bredács Márton, Simon Gergely, Horváth Zsuzsanna: Determination of Nucleus Density in Semicrystalline Polymers from Nonisothermal Crystallization Curves, MACROMOLECULES 48: (8) 2561-2569, 2015
Sulcova Petra, Sestak Jaroslav, Menyhard Alfred, Liptay George: Some historical aspects of thermal analysis on the mid-European territory, J THERM ANAL CALORIM 120: (1) 239-254, 2015
Horváth Zsuzsanna, Gyarmati Benjámin, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Varga József, Pukánszky Béla: The role of solubility and critical temperatures for the efficiency of sorbitol clarifiers in polypropylene, RSC ADV 4: (38) 19737-19745, 2014
Horváth Zsuzsanna, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Varga József, Tranninger Cornelia, Pukánszky Béla: Chain regularity of isotactic polypropylene determined by different thermal fractionation methods, J THERM ANAL CALORIM 118: (1) 235-245, 2014
Horváth Zsuzsanna, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Vörös György, Varga József, Pukánszky Béla: Effect of the Molecular Structure of the Polymer and Nucleation on the Optical Properties of Polypropylene Homo- and Copolymers, ACS APPL MATER INTER 6: (10) 7456-7463, 2014
Sulcova Petra, Sestak Jaroslav, Menyhard Alfred, Liptay George: Some historical aspects of thermal analysis on the mid-European territory, J THERM ANAL CALORIM 120: (1) 239-254, 2015
Molnár János, Sepsi Örs, Ujhelyi Ferenc, Menyhárd Alfréd: Az izotaktikus polipropilén optikai tulajdonságait befolyásoló szerkezeti tényezők meghatározása és modellezése, Polimerek 2: (6) 177-181, 2016
Horváth Zsuzsanna, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Friel David, Varga József, Pukánszky Béla: Improvement of the Impact Strength of Ethylene-propylene Random Copolymers by Nucleation, J. Appl. Polym. Sci. 133: 43823, 2016
Molnár János, Menyhárd Alfréd: Separation of Simultaneously Developing Polymorphic Modifications by Stepwise Crystallization Technique in Non-isothermal Calorimetric Experiments, J. Therm. Anal. Calorim. 124: 1463-1469, 2016
Horváth Flóra, Gombár Tibor, Varga József, Menyhárd Alfréd: Crystallization, Melting, Supermolecular Structure and Properties of Isotactic Polypropylene Nucleated with Dicyclohexyl-terephthalamide, J. Therm. Anal. Calorim. Online First: 1-11, 2016
Fleischer-Radu Éva, Menyhárd Alfréd: Szemikristályos polimerek gócsűrűségének számítása,, Polimerek 3: (1) Elfogadott közlemény, 2017
Horváth Zsuzsanna, Gyarmati Benjámin, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Varga József, Pukánszky Béla: The role of solubility and critical temperatures for the efficiency of sorbitol clarifiers in polypropylene, RSC ADV 4: (38) 19737-19745, 2014
Horváth Zsuzsanna, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Varga József, Tranninger Cornelia, Pukánszky Béla: Chain regularity of isotactic polypropylene determined by different thermal fractionation methods, J THERM ANAL CALORIM 118: (1) 235-245, 2014
Horváth Zsuzsanna, Menyhárd Alfréd, Doshev Petar, Gahleitner Markus, Vörös György, Varga József, Pukánszky Béla: Effect of the Molecular Structure of the Polymer and Nucleation on the Optical Properties of Polypropylene Homo- and Copolymers, ACS APPL MATER INTER 6: (10) 7456-7463, 2014




Back »