Modification and functionalization of biopolymers  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
112489
Type PD
Principal investigator Renner, Károly
Title in Hungarian Biopolimerek módosítása és funkcionalizálása
Title in English Modification and functionalization of biopolymers
Keywords in Hungarian biopolimer, kompozit, funkcionalizálás, kémiai módosítása
Keywords in English biopolymer, composite, functionalization, chemical modification
Discipline
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)75 %
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)25 %
Ortelius classification: Macromolecular chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Starting date 2014-09-01
Closing date 2017-08-31
Funding (in million HUF) 10.872
FTE (full time equivalent) 2.40
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 természetes alapú és megújuló nyersanyag-forrásokból származó anyagok iránti igény felhasználásukkal párhuzamosan növekszik. Mind környezetvédelmi mind gazdasági szempontból előnyös lehet ezen anyagok módosítása, alkalmazási területük bővítése. A projekt ennek megfelelően három fő területre koncentrál. Az első terület alapjait a kutatócsoport korábbi kutatásai adják. Egy új tulajdonsággal rendelkező polimer előállítása legkönnyebben társítással érhető el. Természetes társítóanyagok és biopolimerek kompozitjainak vizsgálata, szerkezet-tulajdonság összefüggéseinek felismerése lehetőséget nyújthat új, megújuló forrásból származó anyagok polimer kompozitok elterjedésének. Az ilyen teljesen lebontható polimer kompozitok tulajdonságait kétféleképpen módosíthatjuk. A mátrix biopolimer módosításával megváltoztathatók a komponensek közötti kölcsönhatások, ami új társított anyagok előállítására adhat lehetőséget. A társítóanyag módosításával a biopolimer akár különleges funkciókkal is felruházható lesz. Az előbbi két terület alapjain kívánjuk elindítani olyan megújuló nyersanyagforrásból származó anyagokon alapuló kutatásunkat, amelyek nagy mennyiségben állnak rendelkezésre, de bizonyos tulajdonságaik gátolták nagyobb hozzáadott értékű felhasználásukat. Ilyen anyag például a lignin, amely más polimerekkel történő társításán túl módosításával egy újabb területek nyílhatnak meg a kutatás előtt.

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 alapgondolata természetes alapú és megújuló forrásból származó polimerek és társítóanyagok felhasználási lehetőségeinek bővítése, új funkciókkal rendelkező anyagok előállítása. A biopolimerek és természetes társítóanyagaik esetén a fő kérdés, hogy tulajdonságaik kombinálhatóak-e, megfelelő kölcsönhatás alakul-e ki a komponensek között, valamit ez változtatható-e a biopolimerek módosításával. Arra szeretnénk választ kapni, hogy lehetséges-e a biopolimer funkcionalizálása, milyen határok között változtatható meg tulajdonságaik? Polimerek ligninnel való társítása segítségével illetve a lignin módosításával előállítható-e új, gyakorlati jelentőséggel is bíró polimer rendszer?

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!
Világszinten ismert folyamat biopolimerek és rendszereik elterjedése. Egyrészről a műanyagipar kőolajfüggésének csökkentése, másrészt környezetvédelmi kérdések miatt, de a folyamat töretlen. Az igazi - társadalmi és gazdasági - haszonnal kecsegtető megoldás nagyobb hozzáadott értékű anyagok előállítása. A lignin nagy mennyiségben áll rendelkezésre és olcsó megújuló forrásból származó anyag, megfelelő módosításával vagy társításával ipari feldolgozásra és felhasználásra is alkalmas rendszer állítható el. További előnyt jelenthet, ha ezen rendszereket valamilyen funkcióval is fel tudjuk ruházni a kutatás eredményei alapján.

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 érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A műanyagok széleskörű elterjedése és számos előnye mellett alkalmazásuk során két nagy problémával kell szembenéznünk: a hagyományos műanyagok nyersanyagforrása kimerülőben van, valamint egyre nagyobb mennyiségű műanyag hulladék halmozódik fel. Mivel a jelenlegi fejlődés nem fenntartható, így egyre inkább nő az érdeklődés a természetes alapú, illetve biológiailag lebomló műanyagok iránt. A projekt célja ezen anyagok társításával új, nagyobb értékű rendszerek előállítása. Ennek érdekében természetes társítóanyagok hatását vizsgáljuk polimer rendszerekben, biopolimer alapú kompozitokat állítunk elő, módosítjuk a komponensek között kialakuló kölcsönhatásokat. Megfelelő társítóanyagok megválasztásával a biopolimerek további funkciókkal látjuk el. Megújuló forrásból származó anyag, mint például lignin, módosításával nagyobb hozzáadott értékű alapanyagokat állítunk el.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The plastic industry went through an enormous development in the last decades. Only very few end-products can be imagined without the application of plastic or rubber parts today. Development has raised environmental and economic questions in many fields. Sustainable development was one of the major concerns in economic studies in western Europe, which led to new trends and requirements in all fields, where materials are consumed. The concept developed was to use materials either from renewable resources or utilize the byproduct of a different process thereby lowering environmental stain and increasing economic efficiency simultaneously. Regarding the above mentioned reasons the project is focused on the following fields. The first one is based on the former research of the group, where several reinforcements were investigated in different polymer matrices. The aim of this part is to utilize natural fillers and fibers and modify their interaction in biopolymer composites. The structure-property correlations of these composites will be investigated and in the second part an attempt will be made to modify their structure and interaction between the biopolymer matrices and the additive. The application of further additives with functional properties will be investigated as well. Based on the results of the last two fields a completely research will be founded, the modification and coupling of lignin materials with biopolymers.

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.
A general idea is the utilization of polymers and additives from natural and/or renewable resources by modifying their properties and endow with new functional properties. The main question of natural materials is whether their properties can be combined, the interaction between the component are adequate and can this latter be changed with the modification of biopolymers? Furthermore is it possible to modify lignin in order to gain new polymer or incorporate into biopolymers to gain system based on renewable materials with beneficial properties?

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.
Worldwide known tendency is the permeation of biopolymers and their systems. On one hand the dependence of plastic industry on fossil resources can be decreased, on the other environmental issues are the base of their increasing relevance. The true – both economic and environmental – benefit would be to develop materials with improved properties. As lignin is available in abundant quantities and being a cheap raw material its modification or functionalization could result in a material system which is can be processed in industrial scale. Further benefits can be if these natural based materials can be functionalized with additional properties.

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 NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Despite of the wide range of application and benefits of plastic product two challenges have to be answered in the next decades: on one hand resources like fossil raw materials running out and their price is increasing, on the other the amount of plastic waste is increasing. The current development is not feasible any more without new technologies and materials thus the interest in materials from renewable resources is increasing. In order to answer these challenges the effect of natural reinforcement is investigated in polymer systems, biocomposites are prepared and the interfacial interaction is modified between the components. The aim of the project is to produce new polymer systems based on natural resources with the possibility by adding functional properties to the system.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A műanyagok széleskörű elterjedése és számos előnye ellenére alkalmazásuk során két nagy problémával kell szembenéznünk: a hagyományos műanyagok nyersanyagforrása kimerülőben van, valamint egyre nagyobb mennyiségű műanyag hulladék halmozódik fel. Mivel a jelenlegi fejlődés nem fenntartható, így egyre inkább nő az érdeklődés a természetes alapú, illetve biológiailag lebomló műanyagok iránt. A projekt célja megújuló nyersanyagforráson alapuló polimer anyagok előállítása és módosítása volt. A kutatómunka első szakaszában politejsav biopolimer tulajdonságait módosítottuk természetes töltőanyagok segítségével. Vizsgáltuk a fázisok között kialakuló kölcsönhatások erősségét, valamint ezekben a kompozitokban terhelés hatására lejátszódó mikromechanikai deformációs folyamatokat. A politejsavból reaktív extrúzió segítségével funkcionalizált polimert állítottunk elő, mely segítségével később a PLA alapú rendszerek határfelületi kölcsönhatásának módosítására tettünk kísérletet. A kutatómunka második szakaszában egy természetes polimer – a lignin – társítására tettünk kísérletet különböző hőre lágyuló polimerekben. A kísérletek során igazoltuk, hogy a lignin molekulák között erős másodrendű kötések vanna, amelyek befolyásolják mind a feldolgozhatóságot, mind pedig a polimer/lignin keverékek tulajdonságait. Ahhoz, hogy a ligninből a felhasználás szempontjából is megfelelő polimer alapanyagot állítsunk elő, a későbbiekben ezeknek a kölcsönhatásoknak a megfelelő szabályozása szükséges.
Results in English
Despite of the wide range of application and benefits of plastic product two challenges have to be answered in the next decades: on one hand resources like fossil raw materials running out and their price is increasing, on the other the amount of plastic waste is increasing. The current development is not feasible any more without new technologies and materials thus the interest in materials from renewable resources is increasing. The aim of the project was to develop and modify polymeric materials based on renewable resources. In the first stage of the research poly(lactic acid) (PLA) biopolymer was modified with natural fibers and fillers. The interfacial interaction was investigated with different methods and the dominating deformation process developed under external load was analyzed in these structural composites. PLA was functionalized by reactive extrusion and the synthetized grafted PLA was used to modify adhesion in natural fiber reinforced composites. In the second stage of the research an attempt was made to blend lignin – a natural polymer – in other thermoplastic polymers and the developing structure of the blends were investigated. It could be concluded, that the strong interactions between lignin molecules make difficult the processing and also limit the properties of polymer/lignin blends. It was concluded, that in order to develop plastic materials for applications these interactions need to be tailored in the succeeding research work.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112489
Decision
Yes





 

List of publications

  
Podolyák B, Kun D, Renner K, Pukánszky B: Hydrogen bonding interactions in poly(ethylene-co-vinylalcohol)/lignin blends, International Journal of Biological Macromolecules, 2017
Áron Csikós, Gábor Faludi, Attila Domján, Károly Renner, János Móczó, Béla Pukánszky: Modification of interfacial adhesion with a functionalized polymer in PLA/wood composites, EUR POLYM J 68: 592-600, 2015
Faludi G, Dora G, Imre B, Renner K, Mõczõ J, Pukánszky B: PLA/lignocellulosic fiber composites: Particle characteristics, interfacial adhesion, and failure mechanism, J APPL POLYM SCI 131: (4) , 2014
Sudár András, Burgstaller Christoph, Renner Károly, Móczó János, Pukánszky Béla: Wood fiber reinforced multicomponent, multiphase PP composites: Structure, properties, failure mechanism, COMPOS SCI TECHNOL 103: 106-112, 2014
Sudár A, Renner K, Móczó J, Lummerstorfer T, Burgstaller Ch, Jerabek M, Gahleitner M, Doshev P, Pukánszky B: Fracture resistance of hybrid PP/elastomer/wood composites, Composite Structures, 2016
Bozsódi B, Romhányi V, Pataki P, Kun D, Renner K, Pukánszky B: Modification of interactions in polypropylene/lignosulfonate blends, Materials and Design, 2016
Horvathy BD, Vacz G, Szabo T, Szigyarto CI, Toro I, Vamos B, Hornyak I, Renner K, Klara T, Szabo BT, Dobo-Nagy Cs, Doros A, Lacza Zs: Serum albumin coating of demineralized bone matrix results in stronger new bone formation, Biomed Mater Res Part B 2016:104B:126–132., 2016
Faludi G, Dora G, Imre B, Renner K, Mõczõ J, Pukánszky B: PLA/lignocellulosic fiber composites: Particle characteristics, interfacial adhesion, and failure mechanism, J APPL POLYM SCI 131: (4), 2014
Sudár András, Burgstaller Christoph, Renner Károly, Móczó János, Pukánszky Béla: Wood fiber reinforced multicomponent, multiphase PP composites: Structure, properties, failure mechanism, COMPOS SCI TECHNOL 103: 106-112, 2014
Hári J, Horváth F, Móczó J, Renner K, Pukánszky B: Competitive interactions, structure and properties in polymer/layered silicate nanocomposites, EXPRESS POLYM LETT 11: (6) 479-492, 2017
Kajtár Dóra Andrea, Kenyó Csaba, Renner Károly, Móczó János, Fekete Erika, Kröhnke Christoph, Pukánszky Béla: Interfacial interactions and reinforcement in thermoplastics/zeolite composites, COMPOS PART B-ENG 114: 386-394, 2017
Szabo G, Romhanyi V, Kun D, Renner K, Pukanszky B: Competitive Interactions in Aromatic Polymer/lignosulfonate Blends, ACS SUSTAIN CHEM ENG 5: (1) 410-419, 2017
Áron Csikós, Gábor Faludi, Attila Domján, Károly Renner, János Móczó, Béla Pukánszky: Modification of interfacial adhesion with a functionalized polymer in PLA/wood composites, EUR POLYM J 68: 592-600, 2015



Back »