Atmoszférikus hidegplazma eljárással kezelt polimer-felületek adhéziós és tribológiai tulajdonságai  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
113039
típus K
Vezető kutató Kalácska Gábor
magyar cím Atmoszférikus hidegplazma eljárással kezelt polimer-felületek adhéziós és tribológiai tulajdonságai
Angol cím Adhesive and tribological characteristics of polymer surfaces treated with atmospheric cold-plasma process
magyar kulcsszavak polimer, hidegplazma, felületmódosítás, adhézió, ragasztás, tribológia
angol kulcsszavak polymer, cold-plasma, treated surface, adhesion, bond, tribology
megadott besorolás
Gépszerkezettan (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)70 %
Ortelius tudományág: Gépészet
Anyagtudomány és Technológia (gépészet-kohászat) (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)30 %
Ortelius tudományág: Műanyagipari technológiák
zsűri Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki
Kutatóhely Gépipari Technológiai Intézet (Szent István Egyetem)
résztvevők Andó Mátyás
Károly Zoltán
Keresztes Róbert
Klébert Szilvia
Szakál Zoltán
Zsidai László
projekt kezdete 2015-01-01
projekt vége 2019-03-31
aktuális összeg (MFt) 27.999
FTE (kutatóév egyenérték) 7.71
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A jelen pályázat modern, atmoszférikus hidegplazma eljárással módosított polimer-felületek megbízhatóságának a vizsgálatára irányul polimer-polimer és polimer-fém kontakt-rendszerekben, az adhéziós és tribológiai tulajdonságok feltárásárán keresztül. A nevezett eljárás alkalmas polimer-felületek fizikai és kémiai szerkezetének hatékony módosítására és ezáltal felületi jellemzőik – köztük adhéziós és tribológiai tulajdonságaik – megváltoztatására. Polimerként olyan műszaki polimerek, mint pl. PA6, POM, PETP, PEEK, külön ragasztástechnikai alkalmazásokhoz PE, PP és PTFE, fém anyagpárként pedig elsősorban acél (S235-szerkezeti acél) alkalmazását tervezzük. Komplex felületi, adhéziós és tribológiai vizsgálatokkal jellemezzük a kezeletlen, felületkezelt, kontaktált és tribológiailag tesztelt mintákat. A fő cél a plazmakezelési paraméterek, a kiváltott felületi kémiai és fizikai változások, valamint az adhéziós és tribológiai tulajdonságok közötti összefüggések feltárása, amelyek alapul szolgálhatnak megbízható polimer-polimer és polimer-fém kötéssel rendelkező szerkezetek létrehozására.

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.

Korábbi vizsgálataink során a kezeletlen PA6, POM és PETP polimerek adhéziós és tribológiai tulajdonságait már feltérképeztük az előnyös alkalmazási körülményeknek megfelelő acél párosítása esetén. [1] Ezekből azt a fontos következtetést vontuk le, hogy az olyan jellemzők, mint a felületi morfológiai és kémiai tulajdonságok, a felületi energia (és annak diszperziós és poláris komponensei) jól érzékelhetően, de eltérő mértékben befolyásolják a polimerek adhéziós és tribológiai jellemzőit.
A jelen kutatatás fő kérdése annak tisztázása, hogy a modern, hatékony atmoszférikus hidegplazmás felületkezelő eljárás mennyire alkalmas megbízható polimer-polimer és polimer-fém kontakt-rendszerek kialakítására. Ezen belül, fontosnak tartunk tisztázni olyan alapkérdéseket, mint a polimer- és fémfelületek hidegplazmás tisztításának, aktiválásának és ún. funkcionalizásának (azaz reakcióképes kémiai funkciós csoportok kialakításának) szerepe, továbbá a felületi energia szerepe az adhéziós és tribológiai tulajdonságok kedvező irányú módosításában.

1. ZSIDAI L. et al. (2002): The tribological behaviour of engineering plastics during sliding friction investigated with small-scale specimens, Wear, Vol. 253 673-688. p.

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 gépészeti gyakorlatban egyre szélesebb körben teret hódító polimerek legfontosabb alkalmazásai közé tartoznak a mozgó (sikló-csúszó) elemek, amelyek gyakori rögzítéstechnikája a ragasztás. Ezek az elsőre egymástól függetlennek tűnő alkalmazások valójában közel állnak egymáshoz, hiszen mindkettő minőségét és megbízhatóságát jelentős mértékben a felületek állapota szabja meg. Gyakori műszaki megoldás pl. a polimer siklócsapágyak ragasztással történő rögzítése a csapágyházban.
Korábbi felületmódosított polimerekkel végzett vizsgálatainkon alapulva, [2, 3] előzményként tekinthetünk pl. csípőprotézis és PE alkalmazások ionimplantációval módosított felületi tulajdonságainak feltérképezésére. A szabványosított tribológiai vizsgálatok mellett végeztünk: karcállósági (nagyfelbontású scratch teszt) és kopásállósági vizsgálatokat kent rendszerben. Az előzmények rávilágítottak arra, hogy a jelentősen változó felületi energia nemcsak a súrlódást módosítja drasztikusan, hanem az adhéziós tulajdonságokat is.
A feltárt ismeretek alapul szolgálhatnak jó minőségű, megbízható adhéziós (ragasztott) szerkezetek, továbbá új, kopásálló, polimer-alapú, anyag- és energiatakarékos szerkezetek létrehozásához az ipar számos területén. A kutatást továbbá alátámasztja a mechatronikában és a műszeriparban terjedő tiszta polimer-alkalmazások esetén gyakori polimer-polimer kapcsolat mind jobb feltérképezésének az igénye is.
Megjegyzendő, hogy a feltárandó tudományos alapismereteknek várhatóan a műszaki élet más fontos területein is jelentőségük lehet, ugyanis polimertartalmú laminált szerkezeteket alkalmaznak pl. a csomagolástechnikában, a gyors prototípus-készítés során, fémkorrózió megakadályozására, az elektronika területén fényemittáló diódák készítése során, stb.

2. KALÁCSKA G, ZSIDAI L, KERESZTES R, TÓTH A, MOHAI M, SZÉPVÖLGYI J (2012): Effect of nitrogen plasma immersion ion implantation of polyamide-6 on its sliding properties against steel surface Wear 290-291: pp. 66-73.
3. KALÁCSKA G, ZSIDAI L, KERESZTURI K, MOHAI M, TÓTH A (2009): Sliding tribological properties of untreated and PIII-treated PETP, Applied Surface Science 255: pp. 5847-5850.

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 projektben megfogalmazott új koncepciónak megfelelően, korábbi kutatásainkra alapozva, napjaink talán legdinamikusabban fejlődő anyagcsoportjával, a polimerrel és annak a ragasztástechnikában és csúszó alkalmazásokban rejlő további fejlesztési lehetőségeit kutatjuk. Pályázatunk célja, a korábbi kutatások kiterjesztése a polimer-felületek módosításának a ragaszthatóságra és súrlódásra gyakorolt hatásának a vizsgálatára. A felületmódosított elemek ragasztástechnikai és tribológiai alkalmazásainál együttes követelmény a jó ragaszthatóság és kis súrlódás. Potenciális lehetőség rejlik abban, hogy a megfelelően irányított felületkezelés mindkét követelményt biztosítsa. A polimerek korszerű felületi módosítását, ún. atmoszférikus hidegplazmás kezeléssel kívánjuk elérni, majd anyag- és súrlódási (tribológiai) vizsgálatokkal térképezzük fel a megváltozott jellemzőket. Célunk a polimer-polimer és polimer-fém párosítások megbízhatóságának a meghatározása mind ragasztott mind csúszó kapcsolatban.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

1.1. Summary and aims of the research work.
The present proposal aims at testing the reliability of polymer surfaces modified with an atmospheric cold-plasma process in polymer-polymer and polymer-metal contact-systems through revealing adhesive and tribological characteristics. The named process is suitable to modify efficiently the physical and chemical structures of polymer surfaces and thus to change their surface characteristics including their adhesive and tribological properties. We plan to apply engineering polymers as for example PA6, POM, PETP, PEEK and PE, PP and PTFE for sticking technique application, and steel (S235-construction steel) as the main metallic counterpart. We characterize the untreated, surface treated, contacted and tribologically tested samples by complex surface analytical, adhesive and tribological tests. The main target is to find relationships between the parameters of plasma-treatment and the induced surface chemical and physical changes as well as relationships between the adhesive and tribological characteristics that can form the basis of producing structures with reliable polymer-polymer and polymer-metal bonding.

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.

1.2. The basic question of the research work.
During our previous tests we already have charted the adhesive and tribological characteristics of the untreated PETP and PA6 polymers in case of steel counterpart to be suitable for application with favourable conditions. [1] We have drawn important conclusions that properties like the surface morphological and chemical characteristics, the surface energy (and its dispersion and polar components) influence the adhesive and tribological characteristics of polymers significantly but to different extents.
The main question of the present research is to assess the suitability of the modern, efficient atmospheric cold-plasma surface-treatment process for developing reliable polymer-polymer and polymer-metal contact systems. In particular, it is important to determine the role of cleaning, activation and functionalization of (that is creation of reactive chemical functional groups on) the polymer and metal surfaces, and the role of surface energy in modifying advantageously the adhesive and tribological characteristics.

1. ZSIDAI L. et al. (2002): The tribological behaviour of engineering plastics during sliding friction investigated with small-scale specimens, Wear, Vol. 253 673-688. p.

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.

1.3. The importance of research work.
The moving (sliding-gliding) elements belong to the most important applications of polymers used increasingly in engineering practice, at which sticking is a frequently applied fastening technique. These applications seem to be independent from one another at the first glance, but in fact they are closely related, because the characteristics of the surfaces determine to a great extent both the quality and the reliability of the related systems. It is a frequent technical solution for example to fix polymer sliding bearing by sticking in the bearing block. Our previous tests [2, 3] carried out with polymers of modified surfaces, can be considered as antecedents for characterization of hip joint prothesis and PE modified by ion implantation. We have carried out scratch-resistance tests (high-resolution scratch) and abrasion tests in lubricated systems, in addition to standardised tribological tests. According to our previous results, the changes in surface energy modify significantly not only the friction but also the adhesive characteristics. The information obtained can serve to produce good quality, reliable adhesive (glued) structures and to produce new wear resistant, polymer-based, material- and energy-saving structures in many fields of industry. The research work is further supported by the demand in improved and more detailed exploring of the polymer-polymer connection in case of polymer-only applications extending to mechatronics and instrument industry.
It is to be noted that the basic results to be obtained can be important also in engineering fields like laminated polymercontaining structures used for example in the packaging technique, fast prototyping, inhibition of metal corrosion, production of light emitting diodes in the field of electronics, etc.

2. KALÁCSKA G, ZSIDAI L, KERESZTES R, TÓTH A, MOHAI M, SZÉPVÖLGYI J (2012): Effect of nitrogen plasma immersion ion implantation of polyamide-6 on its sliding properties against steel surface Wear 290-291: pp. 66-73.
3. KALÁCSKA G, ZSIDAI L, KERESZTURI K, MOHAI M, TÓTH A (2009): Sliding tribological properties of untreated and PIII-treated PETP, Applied Surface Science 255: pp. 5847-5850.

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.

1.4. The targets and clear summary of the research work.
According to the new conception drawn up in the project, based on our earlier investigations, we carry on research work on further development possibilities in sticking technique and in sliding applications of polymers, which is the material group developing probably most dynamically. The target of our proposal is to extend the earlier research work performed on testing the ability of sticking and the decrease of friction by modifying the polymer surfaces. Good adhesion and the low friction are common requirements in the sticking technique and in tribological applications. There is a potential possibility that a proper surface treatment meets both requirements. We plan to achieve an efficient surface modification of polymers by the up-to-date atmospheric cold-plasma treatment, which will be followed by material- and frictional (tribological) tests to map up the characteristics changed. Our aim is to determine the functional reliability of polymer-polymer and polymer-metal pairs both in adhesive and in sliding connections.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatás során atmoszférikus hidegplazmával (DBD eljárás) kezeltünk kilenc különböző, a mérnöki gyakorlatban fontos műszaki polimer felületet. 1) az általános és HPM műszaki műanyagok közül: PEEK, PET, PA6-E, PA66, POM-C 2) tömegtermékek közül: PP, UHMW-PE HD500 és HD1000, PTFE Megállapítottuk, hogy a kezelés a legtöbb polimer esetén növeli a felületen lévő poláris funkciós csoportok részarányát. Ennek hatására a felületi energia nő, a felület adhéziója javul. A polimer/polimer és a polimer/acél ragasztott kötések nyírószilárdsága növekszik a különféle ragasztórendszerek esetén, habár az egyes polimereknél eltérő arányban. Kimutattuk, hogy a polírozott plazmakezelt polimer felületek 3D érdessége általában csökkent. Ahol a felületi érdesség csökken és a felületi energia (poláris és diszperzív komponensek) nő, ott a felületek képesek kenőanyagmegtartó hatást kifejteni, így kedvezőbb eredő súrlódást biztosítanak kent rendszerekben, mint a natúr polimer felület. Az elért eredmények az ipar számára közvetlenül is hasznosíthatók a polimer gépelemek tervezésében, felhasználásában, a csomagolástechnikában, stb.
kutatási eredmények (angolul)
In the research project, we investigated the surface treatment of engineering polymers (nine different types) by cold atmospheric plasma (DBD) technique: 1) General and HPM technical grade plastics: PEEK, PET, PA6-E, PA66, POM-C 2) Plastics from mass production: PP, UHMW-PE HD500 és HD1000, PTFE It was found that plasma treatment increases the polar functional moities on the surface for most of the polymers. As a result, the surface energy increases, the adhesion improves. Shear strength of the glued bonded surfaces improved for either polymer/polymer or polymer/steel bond pairs, although improvement varied in the function of the applied adhesive and the type of the polymer. We showed that the surface roughness of the treated polymers usually decreases. In combination of decreased roughness and increased surface energy (polar and dispersive components) the surface can exert higher oil retention capability that provides better friction than the pristine polymer. The achieved results can be directly exploited in various industrial sectors such as design and application of mechanical parts, packaging, etc.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=113039
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
G. Kalácska, Z. Károly, Sz. Klébert, A. Eleőd: NPIII treatment towards to cold atmospheric plasma as surface modification technics of engineering polymers., International Multidisciplinary Conference, Baia Mare, Nyíregyháza. Edition 11. pp 83 – 89., 2015
Károly Z., Klébert Sz., Kalácska G., Zsidai L., Szakál Z., Keresztes R.: Hidegplazmák alkalmazása polimerek felületmódosítására., Polimerek I. vol. 5. pp 147 - 152, 2015
G. Kalácska, Z. Károly, Sz. Klébert: NPIII and cold atmospheric plasma surface modification of polymers., Mechanical Engineering Letters. vol. 12. pp 78 - 90., 2015
H. Al-Maliki, G. Kalácska, R. Keresztes, P. DeBaets: Adhesion of polymer surfaces: brief review., Mechanical Engineering Letters. vol. 12. pp 43 - 50., 2015
G Kalacska, R Keresztes, L Foldi, Sz Klebert, Z Karoly, L Zsidai: Thermal conductivity of plasma modified polyethylene terephthalate and polyamide-6 layers, EXPRESS POLYMER LETTERS, 2016
AL-MALIKI Hayder, ZSIDAI László, KALÁCSKA Gábor, KERESZTES Róbert, SZAKÁL Zoltán: Friction Tests Of Different Polymers Treated By Plasma Technology, PROCEEDINGS OF THE 4th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ON ADVANCES IN MECHANICAL ENGINEERING (ISCAME 2016), 2016
Szakál Zoltán, Hayder Al-Maliki, Odrobina Miklós, Sarankó Ádám: Extrudált PA 6 és POM C lemezanyagok ragasztott kötésének nyíróvizsgálata, Műanyagipari Szemle, 2016
Z. Károly – Sz. Klébert - H. Al-Maliki – T. Pataki: Comparison of NPIII and DBD Plasma Treatment in Terms of Wettability of PTFE and PA6, pp 85-88, CEurSIS 2016 THE INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE CARPATHIAN EURO-REGION’S SPECIALISTS IN INDUSTRIAL SYSTEMS - 11th EDITION – BAIA MARE 2nd – 4th June 2016 ISBN 978-606-73, 2016
R. Keresztes- A. Kári-Horváth, T. Pataki: Strength Examinations of Adhesive Contact of the Hardly be Bonded Polymers,, CEurSIS 2016 THE INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE CARPATHIAN EURO-REGION’S SPECIALISTS IN INDUSTRIAL SYSTEMS - 11th EDITION – BAIA MARE 2nd – 4th June 2016 ISBN 978-606-73, 2016
L.,Zsidai, H. Al-Maliki, M. Odrobina, A. Kári-Horváth: Strength Behaviour of Joint Polymer and Steel Surfaces with Different Adhesive Materials, CEurSIS 2016 THE INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE CARPATHIAN EURO-REGION’S SPECIALISTS IN INDUSTRIAL SYSTEMS - 11th EDITION – BAIA MARE 2nd – 4th June 2016 ISBN 978-606-73, 2016
Al-Maliki, H., Zsidai, L., Samyn, P., Szakál, Z., Keresztes, R., Kalácska, G.: Effects of atmospheric plasma treatment on adhesion and tribology of aromatic thermoplastic polymers, Polymer Engineering & Science, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com),DOI: 10.1002/pen.24689, 2017
Al-Maliki, H., Kalácska, G.: Friction Behavior of Engineering Polymers Treated by Atmospheric DBD Plasma, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, Vol. 61(4), pp. 303-308., 2017
Al-Maliki, H., Kalácska, G.: The effect of atmospheric DBD plasma on Surface energy and shear strength of adhesively bonded polymer, Hungarian Agriculture Engineering, Vol. 31, pp. 52-58. DOI: 10.17676/HAE.2017.31.52, 2017
Sukumaran, J., Keresztes, R., Kalácska, G., Al-Maliki, H., Neis, P. D., De Baets, P.: Extruded and injection moulded virgin PA 6/6 as abrasion resistant material, Hindawi. Advances in Tribology, Volume 2017 (2017), Article ID 1035017, 9 pages., 2017
Al-Maliki, H., Károly, Z., Klébert, Sz.: Surface morphology and chemical composition of PP and PETP treated by atmospheric plasma, Mechanical Engineering Letters SZIE R & D, Vol. 15, pp. 47-55., 2017
Zoltán Szakál, Tamás Pataki, Attila Kári-Horváth, Mátyás Andó, Rajini Nagarajan: Shear strength of overlap bonds of plasma treated PA6 and PEEK, Mechanical Engineering Letters SZIE R & D, Vol. 15, pp. 35-47., 2017
Sarankó Á., Szakál Z., Kalácska G., Samyn P., Sukumaran J., Klébert Sz., Károly Z.: Adhesion and sliding tribological properties of polyolefins treated by diffuse coplanar surface barrier discharges., eXPRESS Polymer Letters. Vol. 12. No.11. (2018) 972-985, 2018
H. Al-Maliki, Z. Károly, Sz. Klébert, G. Kalácska: Surface characterization of polytetrafluoroethylene treated by atmospheric plasma, International Review of Applied Sciences and Engineering. Akadémiai Kiadó. Vol. 9(1), pp. 1–7, 2018
Károly Z., Kalácska G., Zsidai L., Mohai M., Klébert Sz: Properties of Polyamide 6 and Polyoxymethylene-Copolymer by Atmospheric Cold Plasma Treatment., Polymers 2018, 10(12), 1380; pp 1-11,, 2018
Zoltan Karoly, Gabor Kalacska, Jacob Sukumaran, Dieter Fauconnier, Adam Kalacska, Miklos Mohai, Szilvia Klebert: Effect of Atmospheric Cold Plasmatreatment on the Adhesion and Tribological Properties of PA66 and Poly(tetrafluoroethylene), Materials., 2019
Hayder Lateef Radhi Al-Maliki: Adhesive and tribological behaviour of cold atmospheric plasma-treated polymer surfaces, SZIE, Mechanical Engineering PhD School, 2018




vissza »