HUN-REN-BME Kutatócsoport





Multifunkcionális bevonattal értéknövelt polimer rendszerek egylépéses előállítása Ipar 4.0 módszerek felhasználásával első lépésben gépjárműipari célokra és kiterjesztése további piacképes felhasználási területekre

Pályázati azonosító:
2018-1.3.1-VKE-2018-00011
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2019. április 1. - 2022. szeptember 30.
Témavezető (BME):
Prof. Dr. Toldy Andrea

Résztvevő kutatók (BME):
Prof. Dr. Toldy Andrea
Dr. Pomázi Ákos
Kovács Zsófia
Krecz Martin
Temesi Tamás
Papp Bertalan
Dr. Romhány Gábor
Dr. Mezey Zoltán Tamás
Konzorciumi partnerek (BME):
PEMÜ Műanyagipari Zártkörűen Működő Részvénytársaság

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTKEZDÉS)

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTZÁRÁS)

Pályázat összefoglalója

A dinamikusan fejlődő polimer-mérnöki alkalmazások szélesebb körű elterjedésének számos területen gátat szab a polimer mátrix éghetősége. Az egyre szigorodó biztonságtechnikai elvárások szükségessé teszik az alkalmazott polimer rendszerek hatékony égésgátlását, a mechanikai és egyéb tulajdonságaik szinten tartása vagy esetleges javítása mellett. Az égésgátlók mátrixban történő alkalmazása mellett különösen hatékony égésgátlási módszer, ha az égésgátlót tartalmazó polimert bevonatként visszük fel a kompozit külső felületére. A többrétegű szerkezet előnye, hogy így az égésgátló nem csökkenti az alappolimer mechanikai tulajdonságait és üvegesedési hőmérsékletét, továbbá a célzott felületi égésgátlás lehetővé teszi a szükséges adalék mennyiségének csökkentését, ami egyrészt költségcsökkenést jelent, másrészt környezetvédelmi szempontból is előnyös. A feldolgozás szempontjából továbbá kedvező, hogy ezzel a módszerrel elkerülhető a szilárd fázisú égésgátlók egyenlőtlen eloszlása, illetve kiszűrődése injektálásos technológiák során. A korábban kifejlesztett bevonatok azonban nem biztosítottak megfelelő esztétikai minőséget és mechanikai védelmet, időjárásállóságuk, dörzs- és kopásállóságuk korlátozott volt. Ezek a hátrányok kiküszöbölhetők multifunkcionális ún. gelcoat típusú bevonatok fejlesztésével. A gelcoat alkalmazásával a kívánt funkciók anélkül biztosíthatók, hogy a kompozit alkatrész tömbfázisbeli tulajdonságai megváltoznának. A jelenleg alkalmazott felviteli módok közös jellemzője, hogy a késztermékre egy külön lépésben utólag viszik fel a bevonatot, ami megnehezíti a gyártástechnológia méretnövelését és automatizálását. A projekt célja egy olyan testreszabható bevonatcsalád fejlesztése, amellyel biztosíthatók a gépjárműipar és egyéb további iparágak egyedi igényei, továbbá lehetővé teszi a bevonat felvitelét a termékgyártással azonos technológiai lépésben. A kívánt tulajdonságokat a megfelelő komponensek szükséges részarányban történő bekeverése biztosítja. Kombinált adalékrendszerek alkalmazásával multifunkciós (pl. égésgátolt, antisztatikus, vezetőképes, UV-álló, hőálló) bevonatok készítése is cél. A technológiai megvalósítás szempontjából jelentős előrelépést jelent, hogy a termék fő komponensének bejuttatása a szerszámba és a bevonat kialakítása ugyanabban a gyártóegységben történik meg. A tervezett, fröccsöntéssel előállítható poliolefin (pl. napellenző test, hulladéktároló) és habosítással előállított poliuretán alapú (gépjármű szőnyeg, párna) bevonatolt termékek megbízható minőségű gyártásának a kulcsa a gyártási folyamattal azonos időben megvalósított minőség-ellenőrzés és szabályozás, melyet ipar 4.0 információs technológiai platform bevezetésével tervezünk megvalósítani. A fejlesztés eredménye a PEMÜ versenyképességének és termelési hatékonyságának növelése, a termék minőségének folyamatos biztosítása és javítása, valamint az energia felhasználás hatékonyságának folyamatos optimalizálása. A fejlesztendő testreszabható bevonatcsalád és egylépéses bevonatolási technológiák, valamint az ipar 4.0 módszerek adaptálásának eredményei széles körben hasznosíthatók lesznek minden olyan iparágban, ahol szigorú biztonsági követelmények érvényesek, ugyanakkor fontos a gyártási folyamat megfelelő termelékenysége, méretnövelhetősége és automatizálása. Az adaptálható bevonatok alkalmasak lesznek számos műszaki polimer és hőre lágyuló tömegműanyag környezetbarát felületi módosítására és égésgátlására. A csökkent éghetőséggel és toxicitással járó előnyök mellett, a fejlesztés környezetbarát alternatívát mutat a polimer termékek piacán és versenyképes árszintet biztosít a tömegpolimer mátrix, a bevonatolás révén lecsökkentett adalékmennyiség, az egylépéses gyártástechnológia és a selejt mennyiségét minimalizáló, gyártási folyamatba illeszkedő in-line minőségellenőrzés és azonnali visszacsatolás bevezetése révén.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2019. április 1. - 2020. március 31.
Új foszfortartalmú égésgátlókat és adalékkombinációkat állítottunk elő, majd azok felhasználásával új égésgátló bevonatokat fejlesztettünk. Az éghetőségi vizsgálatok eredményei alapján a növekvő foszfortartalom javítja a bevonatok égésgátoltságát: már a legkisebb alkalmazott, 5%-os foszfortartalom esetében is önkioltó, V-0 fokozatot ért el a fejlesztett bevonat. Ezután térhálós és hőre lágyuló referencia és égésgátolt alappolimer mintákra felvittük a bevonatokat, majd éghetőségi (LOI, UL-94 szabvány szerinti és MLC) vizsgálatokkal, illetve mechanikai (dinamikus mechanikai analízis (DMA) és hárompontos hajlítás) vizsgálatokkal minősítettük a bevont rendszereket. Megállapítottuk, hogy 10% foszfortartalom esetén a fejlesztett bevonat elérte a kereskedelmi forgalomban javított termék égésgátoltsági szintjét, míg a 15% foszfortartalommal rendelkező bevonat már jelentősen meghaladta azt. A szilárd fázisban ható ammónium-polifoszfát (APP) égésgátló koncentrációjának növelésével a bevonatok ún. intumeszcens (felhabosodó) jellege is erősödött. Ezután kiválasztottuk a legígéretesebb bevonatokat, és feldolgozhatóság előzetes vizsgálata alapján meghatároztuk a fejlesztési irányokat a következő munkaszakaszra, különös tekintettel a szórásos és egylépéses bevonatolási technológiák alkalmazhatóságára.

2. munkaszakasz
2020. április 1. - 2021. március 31.
A BME az első projektszakasz eredményei alapján további teszteléshez szükséges mennyiségben előállította első projektszakaszban kiválasztott, legígéretesebbnek bizonyuló új égésgátlókat és új adalékrendszereket. Ezután ezek felhasználásával előállítottuk a potenciálisan egylépéses technológiával felvihető multifunkciós bevonatokat. A reológiai vizsgálati eredmények alapján két megoldást dolgoztunk ki a nagy viszkozitású bevonatok ipari alkalmazhatóságának elősegítésére. Egyrészt olyan módosított receptúrákat állítottunk elő és teszteltünk, amelyekben részben kis viszkozitású folyékony adalékkal helyettesítettük az eddig használt szilárd adalékokat, másrészt előállítottunk egy olyan oldószerkeveréket, amely lehetővé tette a nagy viszkozitású bevonatok szórását is. A reológiai vizsgálatok mellett a PEMÜ által megállapított iparági követelményekkel összhangban éghetőségi és vezetőképességi vizsgálatokkal is minősítettük a bevonatokat önmagában. Ezután a tervezett ipari felhasználással összhangban kiválasztottuk a bevonatolandó alappolimereket. A referencia, adalék nélküli alappolimerek mellett előállítottunk referencia égésgátolt alappolimereket, amelyek a későbbiekben összehasonlítási alapként szolgálnak a bevonatolt alappolimerek tesztelése során. Ezután szakaszos rétegkialakítással, azon belül kenéssel és szórással felvittük az előállított bevonatokat a referencia és referencia égésgátolt alappolimerekere. A bevonat és az alappolimer közötti adhéziót letépésvizsgálatokkal minősítettük, és elvégeztük a bevont polimerek éghetőségi és mechanikai vizsgálatát.

3. munkaszakasz
2021. április 1. - 2022. március 31.
A BME szisztematikus kísérletsorozattal optimálta a második projektszakaszban kifejlesztett egylépéses technológiával felvihető multifunkciós epoxigyanta alapú gélbevonatokat összetételét, a megfelelő viszkozitás, felületi minőség, keménység, karcállóság és az alappolimer éghetőségének hatékony csökkentésének figyelembe vételével. Ezután szórással felvittük a kiválasztott bevonatokat a PEMÜ által gyártott PP mátrixú biztonsági öv csúszka és PUR csőburkolat prototípusokra, jellemeztük a bevonat keménységét, karcállóságát és adhézióját az alappolimerhez, valamint elvégeztük a bevont prototípusok szabvány szerinti éghetőségvizsgálatait. A bevont prototípusok kónikus kalorimetriai eredményei alapján megállapítottuk, hogy a 0,5 mm vastag 15% P-tartalomnak megfelelő APP-t tartalmazó bevonat felhabosodó védőréteget képezett a PP mintadarab tetején, 22%-kal lecsökkentette a hőkibocsátás maximumát, illetve 54 s-mal növelte az idejét a bevonat nélküli termékkel összevetve. PUR protípus esetén pedig 53%-kal lecsökkentette a maximális hőkibocsátást, és 447 s-mal eltolta az hőkibocsátás maximumának idejét. Az éghetőség jelentős csökkentése mellett a bevonatok jelentősen növelték a felületi keménységet és karcállóságot. Autóipari alkalmazásra fejlesztett hosszúszálas erősítésű kompozitok szerszámban történő bevonatolására in-situ polimerizálódó kaprolaktám alapú poliamid 6 bevonatot fejlesztettünk. Több égésgátlókombinációt tesztelve kiválasztottuk azokat az összetételeket, ahol szinergikus égésgátló hatást tapasztaltunk. A kifejlesztett bevonatcsalád oltalmára a PEMÜ-vel együttműködésben megfogalmaztuk a szabadalmi igénypontokat, a magyar szabadalmi bejelentés folyamatban van. Létrehoztunk egy mesterséges neurális hálón alapuló algoritmust, amely segítségével ismert összetételű, nem égésgátolt és égésgátolt epoxigyanták nagy tömegigényű kalorimetriás éghetőségi eredményei becsülhetőek a kémiai szerkezet, valamint kis tömegigényű termikus és éghetőségi mérési eredmények alapján.

4. munkaszakasz
2022. április 1. - 2022. szeptember 30.
A BME befejezte a bevont termékek optimálását mind az epoxi alapú gélbevonatokkal ellátott prototípusok, mind az in-situ polimerizálódó kaprolaktám alapú égésgátló bevonattal ellátott kompozitok esetén. Az epoxi bevonatok esetén a felvitelhez optimalizált viszkozitású gélbevonatokkal az égésgátló hatás, valamint a karcállóság és keménység növekedése mellett „A” minőségű felületet lehet létrehozni, amely azt jelenti, hogy az autóiparban az elkészült termék felülete nem igényel utómegmunkálást, látszó felületként alkalmazható. Térhálós epoxigyanta alapú kompozit termékek esetében 25%-kal, míg hőre lágyuló prototípusok esetén legalább 50%-kal sikerült lecsökkenteni a bevonatokkal a termékek maximális hőkibocsátását. Bioepoxi bevonatokat elsősorban fém szerkezeti elemek hővédelmére fejlesztettünk. Ezen bevonatok esetén égésgátló és szervetlen töltőanyagok szinergikus hatását kihasználva sikerült az egy órás mérés során a minta alatti hőmérsékletet 350°C alatt tartani, amely hőmérsékleten az acél mechanikai tulajdonságai még nem romlanak számottevően. A minták hőkibocsátása 60%-kal csökkent a referencia bevonat esetén mért értékekhez képest. A kaprolaktám alapú bevonatoknál a projekt záró szakaszában az volt a fő célunk, hogy összehasonlítsuk a kompozitgyártási technológiával előállított, szerszámban bevonatolt, in-situ polimerizált hosszúszálas kompozitok teljesítményét a préseléssel előállított, mag-héj szerkezetű rövidszállal erősített termékekével. Megállapítottuk, hogy mind a mechanikai tulajdonságok, mind az égésgátlás szempontjából előnyösebbek a folytonos szálerősítést tartalmazó, égésgátolt bevonattal ellátott kaprolaktám alapú poliamid 6 kompozitok. Ez utóbbiak maximális hőkibocsátása fele akkora volt, mint a mag-héj szerkezetű, nem in-situ polimerizált rendszereké, ami különösen előnyös a termék jövőbeni autóipari felhasználásánál. A kifejlesztett szinergikus égésgátló hatást biztosító bevonatcsalád oltalmára a PEMÜ-vel magyar szabadalmi bejelentést tettünk.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Kovács Zs., Toldy A.: Synergistic flame retardant coatings for carbon fibre-reinforced polyamide 6 composites based on expandable graphite, red phosphorus, and magnesium oxide. Polymer Degradation and Stability, 222, 110696/1-110696/ (2024) 10.1016/j.polymdegradstab.2024.110696 IF=5.9 D1
  2. Poór Dániel István, Tobey Marina, Taynton Philip, Pomázi Ákos, Toldy Andrea, Geier Norbert: A comparative machinability analysis of polyimine vitrimer, epoxy and polycarbonate polymers through orthogonal machining experiments. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, , s00170-024-13087-9/1-s00170-024-13087-9/16 (2024) 10.1007/s00170-024-13087-9 IF=3.4 Q2
  3. Pomázi Á., Krecz M., Toldy A.: Thermal behaviour and fire and mechanical performance of carbon fibre-reinforced epoxy composites coated with flame-retardant epoxy gelcoats. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 2685–2702 (2023) 10.1007/s10973-022-11710-z IF=4.4 Q1
  4. Kovács Zs., Pomázi Á., Toldy A.: Development of multifunctional flame-retardant gel coatings for automotive applications. Coatings, 13 (2), 345/1-345/14 (2023) 10.3390/coatings13020345 IF=3.4 Q2
  5. Kovács Zs., Pomázi Á., Hollósi E., Toldy A.: ε-kaprolaktám alapú égésgátló bevonat fejlesztése szénszál erősítésű poliamid 6 kompozitokhoz. Polimerek, 3, 90-96 (2023)
  6. Pomázi Á., Toldy A.: Predicting the flammability of epoxy resins from their structure and small-scale test results using an artificial neural network model. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 243–256 (2023) 10.1007/s10973-022-11638-4 IF=4.4 Q1
  7. Pomázi Á., Krecz M., Toldy A.: The effect of the combined application of solid- and gas-phase flame retardants in epoxy gelcoats on the thermal stability, fire performance and adhesion of coated carbon fibre–reinforced epoxy composites. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 257-270 (2023) 10.1007/s10973-022-11770-1 IF=4.4 Q1
  8. Pomázi Á., Krecz M., Toldy A.: The effect of resorcinol bis(diphenyl phosphate) on the flammability and flexibility of flame retarded epoxy gelcoats. in 'European Conference on Composite Materials (ECCM20) Lausanne, Svájc. 2022.06.26-30.,67-74 (2022)
  9. Kovács Zs., Pomázi Á., Toldy A.: The flame retardancy of polyamide 6—prepared by in situ polymerisation of ε-caprolactam—for T-RTM applications. Polymer Degradation and Stability, , 109797/1-109797/17 (2022) 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109797 IF=5.9 D1
  10. Kovács Zs., Pomázi Á., Toldy A.: Development of flame retardant coatings for E-caprolactam-based polyamide 6 composites. in 'European Conference on Composite Materials (ECCM20) Lausanne, Switzerland. 2022.06.26-2022.06.30.,217-224 (2022)
  11. Nguyen T. T. T., Decsov K. E., Bocz K., Marosi Gy., Szolnoki B.: Development of Intumescent Flame Retardant for Polypropylene: Bio-epoxy Resin Microencapsulated Ammonium-polyphosphate. Periodica Polytechnica-Chemical Engineering, 66(2), 313-324 (2022) 10.3311/PPch.19468 IF=1.3 Q4
  12. Toldy A., Kovács Zs., Pomázi Á.: Development of fire retardant epoxy-based gelcoats for carbon fibre reinforced epoxy resin composites . in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01,136-137 (2021)
  13. Pomázi Á., Toldy A.: Predicting the flammability of epoxy resins from their structure and small-scale test results using an artificial neural network model. in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01,112-113 (2021)
  14. Toldy A.: Recyclable-by-design thermoset polymers and composites.
  15. Szolnoki B., Hatoss B., Hollósi E., Nagy S., Marosi G.: Flame retardant rigid polyurethane foams for automotive application . in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01.,134-135 (2021)
  16. Aljamal A., Szolnoki B., Marosi G.: Flame retardancy of a fully waterborne sugar-based epoxy system. in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01,108-109 (2021)
  17. Temesi T.: Joining of aluminium and flame-retarded polyamid by laser beam. in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01.,171-172 (2021)
  18. Aljamal A., Szolnoki B., Marosi G.: Improving thermal and flame retardant properties of sorbitol based bioepoxy by phosphorus-based flame retardants. in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01,184-185 (2021)
  19. Nguyen T. T. T., Decsov K. E., Szolnoki B., Bocz K., Marosi G.: Synthesis and characterization of new intumescent flame retardant additives in polypropylene . in 'European Meeting of Fire Retardant Polymeric Materials 2021 (FRPM21) Budapest, Magyarország. 2021.08.29-2021.09.01,196-197 (2021)
  20. Pomázi Á., Toldy A.: Development of fire retardant epoxy-based gelcoats for carbon fibre reinforced epoxy resin composites. Progress in Organic Coatings , 151, 106015/1-106015/12 (2021) 10.1016/j.porgcoat.2020.106015 IF=6.206 D1
  21. Toldy A., Pomázi Á., Szolnoki B.: The effect of manufacturing technologies on the flame retardancy of carbon fibre reinforced epoxy resin composites. Polymer Degradation and Stability, 174, 109094/1-109094/10 (2020) 10.1016/j.polymdegradstab.2020.109094 IF=5.03 Q1
  22. Toldy A., Pomázi Á., Szolnoki B.: The effect of manufacturing technologies on the flame retardancy of carbon fibre reinforced epoxy resin composites. in 'European Meeting on Fire Retardancy and Protection of Materials (FRPM19) Turku, Finland. 2019.06.26-28.,2 (2019)
  23. Pomázi Á., Toldy A.: Effect of flame retardant filtration on the fire performance of carbon fibre reinforced epoxy composites made by resin transfer moulding. in 'International Conference on Composite Materials (ICCM22) Melbourne, Australia. 2019.08.11-2019.08.16.,1-12 (2019)

© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor