HUN-REN-BME Kutatócsoport

Többkomponensű csomagolási hulladék új felismerésen alapuló értéknövelő újrahasznosítása és jelentős piaci értékű termékké alakítása

Pályázati azonosító:

2018-1.3.1-VKE-2018-00017

Támogató:

Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)

Futamidő:

2019. március 1. - 2022. augusztus 31.

Témavezető (BME):

Dr. Pölöskei Kornél

Résztvevő kutatók (BME):

Dr. Bárány Tamás
Dr. Kmetty Ákos
Dr. Pölöskei Kornél
Dr. Tábi Tamás
Dr. Gere Dániel
Bordácsné Dr. Bocz Katalin
Vadas Dániel
Dr. Bodzay Brigitta
Dr. Szolnoki Beáta

Konzorciumi partnerek (BME):

Pro-Form Kft. (konzorciumvezető)

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTKEZDÉS)

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTZÁRÁS)

Pályázat összefoglalója

A projekt csomagolóanyag-piacon legelterjedtebb polimerekre a poliolefinekre (PE,PP) és a polietilén-tereftalátra (PET) fókuszál. Az egyszer használatos PE csomagolóanyagok és a hőformázással előállított PET csomagolások - bliszterek, tálcák, dobozok - jelentős része a nehézkesebb visszagyűjtés és szétválogatás miatt kerül lerakóba. Mindezek mellett jelentős másodlagos PET forrás a többrétegű termoformázott PET termékek technológiai hulladéka is. A felhasználás- és feldolgozás-technikai korlátok számos területen képezik akadályát a PET alapanyagok másodlagos felhasználásának, ezért továbbra is nagy szükség van olyan technológiai fejlesztésekre, amelyek egyrészt gazdaságosabb értékmegőrzést, másrészt hatékony értéknövelést valósítanak meg. A kutatás fő célja a csökkent értékű - s ezért perifériára szorult - másodlagos PET (hulladék) anyagok számára új felhasználási lehetőségek keresése. Megfelelő tulajdonságkombináció elérése esetén (pl. égésgátoltság, antisztatizáltság, megnövekedett ütésállóság) speciális csomagolások, vagy (szinte minden iparágban használt) logisztikai tálcák is készülhetnek ezekből. Ezeket a PET ridegsége, túlzott merevsége, éghetősége, stb. miatt jelenleg drágább anyagokból készítik. Megfelelő homogenizáló elemek receptúrafüggő kombinációjával, a gyártási paraméterek optimális beállításával és alkalmas specifikációjú szélesrésű extrudálási technológiával tudjuk majd elérni, hogy egy lépésben is jó minőségű terméket kapjunk. Speciális ikercsigás extruder sor alkalmazásával lehetőség nyílik a granulátum készítési fázis kihagyására, azaz közvetlenül készülhetnek a termoformázható termékek. A technológiai egyszerűsítés következtében a termékminőséget csökkentő degradáció mértéke is visszaszorítható. A kifejlesztendő terméket, „MÁSODLAGOS PET DIREKT BLEND” (RPET-DB) néven a piaci igényektől függő – égésgátolt/antisztatizált lemez/fólia/3D objektum – formában hozzuk forgalomba. A termék várható piaci sikere modellként szolgálhat a hulladékhasznosítás innovációjához. A fejlesztés során kialakított innovatív receptúrák jelentős műszaki, alkalmazástechnikai versenyelőnyt jelentenek: kihasználva a „RPET-DB” technológia előnyét akár 15% árelőnyt is tervezhetünk, ami jelentős piaci előnyt eredményez a konkurenciával szemben. E célok a projekt megvalósulása során a műszaki anyagtudomány és anyagtechnológia módszereivel a költséghatékonyságot szem előtt tartva multifunkciós adalékanyagok alkalmazásával valósulnak meg. Ilyen multifunkcionális komponens pl. az újrahasznosítandó hulladékban jelen levő fémgőzölt PET, amelynek fémionjai szerepet játszanak a kompatibilizálásban és az égésgátlásban, valamint a különböző foszforsav-észterek, melyek amellett, hogy környezetbarát és hatékony égésgátlást biztosítanak, egyúttal antiszatikussá is teszik a terméket. A jelen projekt eredményeként kidolgozásra kerülő adalékanyag rendszer és technológia nemzetgazdasági szinten is jelentős potenciált képvisel, ugyanis széles termékpalettájával és robusztusságával alkalmas lehet a háztartási szelektív hulladékgyűjtőkben elhelyezett műanyag hulladék egyszerűbb, és a jelenlegi megoldásoknál lényegesen költséghatékonyabb értéknövelő újrahasznosítására.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz

2019. március 1. - 2020. február 29.

Megvalósítottuk a projekt kiírásához kapcsolódó alapanyagok, azok újrahasznosítása, és a feldolgozó technológiák, valamint azok vizsgálatára alkalmas eljárások szakirodalmi feltárását, amelyek nagymértékben segítették az alapanyagok kiválasztásának folyamatát, valamint az elvégzett kísérletek lebonyolítását. Feltáró piackutatást végeztünk, hogy felkutassuk a piac azon szegmenseit és résztvevőit, akiknek a fejlesztés eredményeiként piacképes csomagolási termékekkel tudunk szolgálni az előzetes elvárásaik alapján. Megvalósult a másodlagos alapanyagok és az azokból készült fóliák vizsgálataihoz alkalmas laboreszközök, valamint az alapanyagokból fólia extrudálására alkalmas ikercsigás síkfólia koextruder sor, valamint a fóliákból formázott mintákat és prototípusokat előállítani képes sugárzó fűtéses préslégformázó gép beszerzése. Megtörténtek referencia extrudálási és formázási kísérletek történtek. Megtörtént az alap- és segédanyagok beszerzése és azok fizikai, kémiai jellemzése. Elvégeztük többféle forrásból származó PET és PE hulladék, továbbá adalékanyag (égésgátló) komplex analízisét. Korszerű szakirodalmi összefoglalókat készítettünk a PET előállítása, tulajdonságai, újrahasznosítása, valamint antisztatizálási, szívósítási, kompatibilizálási és égésgátlási lehetőségeiről. A reciklált PET illetve PET/PE társított rendszerek speciális igényeket is kielégítő tulajdonságmódosítására fröccsöntéssel és lemezextrúzióval állítottunk elő vizsgálati mintákat. Elsősorban költséghatékonysági megfontolásból az értéknövelő módosításoknál minden esetben minimális adalékanyag felhasználásra törekedtünk. Merőben új megközelítésként hulladék frakciókat is alkalmaztunk célzottan, (re)aktív komponensként, valamint multifunkcionális (pl. égésgátló és erősítő, színező és antisztatizáló) adalékokkal értünk el többrétű tulajdonságjavulást. Az elvégzett sokrétű anyagszerkezeti vizsgálatok segítségével feltártuk a komponensek közötti kölcsönhatásokat és azok tulajdonságmódosító hatását.

V-0 minősítésű reciklált anyagok fontosabb fizikai paramétereinek összehasonlító diagramja

2. munkaszakasz

2020. március 1. - 2021. február 28.

A mérföldkő során megtörtént a Pro-Form Kft. által feltárt, különböző felhasználási területekre szánt termékcsoportok – köztük blisztercsomagolások, logisztikai tálcák és édesipari csomagolási termékek követelményrendszerei alapján a legkedvezőbb értéknövelő adalékkombinációk (kompatibilizálószerek, antisztatikumok, égésgátlók, ütőszilárdság-növelők) kiválasztása. Elsőként ismertük fel, hogy a nagymértékben degradált rPET frakciók speciális rövid láncokból álló határréteget képesek kialakítani egy a polimer mátrixban eloszlatott reaktív adalék részecskéi körül, amely megsokszorozhatja a termék tulajdonságjavulását. A találmányt kiaknázva egyszerre tudtunk javulást elérni az égésgátoltságban és a mechanikai tulajdonságokban; 50% hőkibocsátás-csökkenést értünk el 40%-os ütőszilárdság növekedés mellett kiemelkedően magas, 60% feletti újrahasznosított alapanyag felhasználásával. A többkomponensű polimer hulladék homogenizálását, értéknövelését (égésgátlását és ütőszilárdság-növelését) és a végtermék előállítását egyetlen integrált gyártási folyamatban valósítottuk meg. A jelentős mennyiségű másodlagos alapanyag-felhasználásra épülő technológia esetében az állandó termékminőséget egy a gyártósorra felszerelt kamerás monitoring rendszerrel tervezzük garantálni, amelynek érzékenységét és alkalmazhatóságát félüzemi körülmények között már sikeresen demonstráltuk.

A projekt során fejlesztett ipari körülmények között gyártott termékek minőségellenőrzése

3. munkaszakasz

2021. március 1. - 2022. február 28.

Feltártuk, hogy szabályozott nedvességtartalom mellett megvalósított kompaundálás során a PET fokozott hidrolitikus degradációja révén – rövid molekulaláncokból felépülő szívós fázishatárréteg alakítható ki. Ennek eredményeképp több mint 6-szoros növekedést értünk el a hornyolt ütőmunkában, “némi víz hozzáadásával” a rendszerhez, vagy a szárítási lépés elhagyásával. Ezt a jelenséget kiaknázva kiemelkedő ütőszilárdságú (> 50 kJ/m2), szívós (nyúlás: 140%), s egyúttal kiváló szilárdságú (40 MPa) és merevségű (1500 MPa) termékek állíthatóak elő jelentősen kisebb (akár 50%) elasztomer tartalommal és egyszerűsített technológiával. A szárítási lépés elhagyásának lehetősége az előállítási költségek további csökkentését eredményezi. Feltártuk, hogy az ütőmunka kiemelkedő növekedése a PET/EBA-GMA intenzívebb reaktív kompatibilizációjának és az elasztikus fázis gátolt térhálósodásának köszönhető. A találmány szellemi tulajdonának védelme érdekében nemzetközi PCT szabadalmi bejelentést tettünk (PCT/HU2021/050064). Olyan magas reciklált részarányú (~60%), kompatibilizált PET/PE keverék alapú édesipari csomagolásra szánt lemeztermékeket gyártottunk, amelyek ütésállóságát mintegy 10-szeres perforációs energia érték jellemzi. Megvalósítottuk a lemezextrúziós folyamatok kamerás monitorozását. A színváltoztatások folyamatos, in-line műszeres követése és regisztrálása mellett demonstráltuk a különböző gyártási hibák automatikus detektálhatóságát is. Rámutattunk, hogy korommentes, vas-oxid alapú színezék mesterkeverék alkalmazásával a logisztikai tálcák égése során a hőkibocsátási maximum mintegy 50%-kal mérsékelhető. A BME által kikísérletezett összetett receptúrák alapján a Pro-Form Kft által gyártott, PET/PE alapú, legalább 50% reciklált részarányú, 50%-kal csökkentett hőkibocsátású logisztikai tálcák perforációs energiája a projekt célkitűzései között vállalt 40%-nál jóval nagyobb mértékben – közel 10-szeresére nőtt - a nem égésgátolt referenciáéhoz képest.

30 m% originál és 70 m% reciklált PET-et tartlmazó fólia ejtődárdás vizsgálati próbatestei a vizsgálat után, ahol megfigyelhető rideg, szívós és köztes tönkremeneteli forma is

4. munkaszakasz

2022. március 1. - 2022. augusztus 31.

A Pro-Form Kft. a korábbi félüzemi kísérletek kiértékelését követően meghatározott alapanyag-összetételekkel hajtotta végre az üzemi fólia extrudálási majd a thermoformázási kísérleteket, a munkafázis végére pedig kialakításra került a piacra szánt termékportfólió. A kiemelkedő ütésállósággal és égésgátoltsággal rendelkező logisztikait tálcák olyan ipari szereplőknél hasznosíthatók, akik külső vagy belső mozgatásokhoz használnak ilyen termékeket, és a jelenleg használt, jellemzően nem újrahasznosított alapanyagokból készült logisztikai tálcáikat válthatják ki egy gazdaságilag kedvezőbb alternatívával. Továbbá a kutatásaink során kifejlesztettünk olyan alapanyag-összetételeket, amelyek élelmiszeripari csomagolótermékek alapanyagául is szolgálhatnak azáltal, hogy a fólia középső rétege újrahasznosított, megfelelő mennyiségben kompatibilizáló adalékanyagokat tartalmazó PET/PE blendet tartalmaz, az élelmiszerrel közvetlen módon pedig az originális anyagból készült fedőréteg érintkezik. Ezeken felül a fejlesztés eredményeként olyan blisztercsomagolásokat is készítettünk, amelyek áttetszőségüknek köszönhetően jellemzően a háztartási- és vegyipar számára készült. Megvalósult az ipari körülmények között legyártott, megnövelt ütőszilárdságú, egyúttal égésgátolt logisztikai tálcák alapanyagául szolgáló lemezek receptúráinak, illetve gyártástechnológiájának finomhangolása a termékspecifikus követelményekhez. Kamerás monitoring rendszert építettünk a extrúziós gyártósorra, amely a magas részarányú másodlagos nyersanyag-felhasználásra épülő technológiák folyamatos in-line műszeres követését biztosítja. Az ipari által legyártott prototípusokat a BME széleskörű mechanikai, morfológiai, termikus, éghetőségi és egyéb alkalmazástechnikai vizsgálatokkal széleskörűen minősítette. Az eredmények alapján a két partner együttműködésével megtörtént a terméktulajdonságok adaptív visszacsatolása a termékkövetelményekhez, majd a receptúrák és a gyártástechnológiai paraméterek véglegesítése.

A projekt során fejlesztett fóliákból készült termékek

Pályázat támogatásával megjelent közlemények

Bocz K., Ronkay F. Gy., Vadas D., Molnár B., Gere D., Czigány T., Marosi Gy.: Flame retardancy of PET foams manufactured from bottle waste. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 217-228 (2023) 10.1007/s10973-022-11423-3 IF=4.4 Q1
Decsov K. E., Ötvös B., Marosi Gy., Bocz K.: Microfibrous cyclodextrin boosts flame retardancy of poly(lactic acid) II - phosphorous silane treatment further enhances the effectivity. Polymer Degradation and Stability, 200, 11 (2022) 10.1016/j.polymdegradstab.2022.109938 IF=5.9 D1
Nguyen Thanh, 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, 313-324 (2022) 10.3311/PPch.19468 IF=1.3 Q4
Mihályfi Á., Helmajer L., Lovas Z., Bordácsné Bocz, K., Ronkay F. Gy., Molnár B., Marosi Gy.: Thermoplastic polyester and its production. WO/2022/112807, Magyarország (2022)
Ronkay F. Gy., Molnár B., Szabó E., Marosi Gy. , Bocz K.: Water boosts reactive toughening of PET. Polymer Degradation and Stability, 203, 9 (2022) 10.1016/j.polymdegradstab.2022.110052 IF=5.9 D1
Bocz K., Ronkay F., Decsov K. E., Molnár B., Marosi Gy.: Application of low-grade recyclate to enhance reactive toughening of poly (ethylene terephthalate). Polymer Degradation and Stability, 185, 109505 (2021) 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109505 IF=5.204 Q1
Ronkay F., Gere D., Czigány T., Molnár B.: Plastic waste from marine environment: Demonstration of possible routes for recycling by different manufacturing technologies. Waste Management, 119, 101-110 (2021) 10.1016/j.wasman.2020.09.029 IF=8.816 Q1
Bocz K., Ronkay F., Molnár B., Vadas D., Gyürkés M., Gere D., Marosi Gy., Czigány T.: Recycled PET foaming: supercritical carbon dioxide assisted extrusion with real-time quality monitoring. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 4, 178-186 (2021) 10.1016/j.aiepr.2021.03.002
Gere D., Ronkay F., Czigány T.: Investigation of the recyclability and compostability of biopolymers contaminated by petroleum-based polymers. Key Engineering Materials, 888, 23-28 (2021) 10.4028/www.scientific.net/KEM.888.23
Mihályfi Á., Helmajer L., Lovas Z., Bordácsné B. K., Ronkay F., Molnár B., Marosi G.: Hőre lágyuló poliészter és ennek előállítása.. P2000393, Magyarország (2020)
Ronkay F., Molnár B., Nagy D., Szarka Gy., Iván B., Kristály F., Mertinger V., Bocz K.: Melting temperature versus crystallinity: new way for identification and analysis of multiple endotherms of poly(ethylene terephthalate). Journal of Polymer Research, 27, 372 (2020)/1-372 (2020)/17 (2020) 10.1007/s10965-020-02327-7 IF=3.097 Q2
Ronkay F., Molnár B., Szalay F., Nagy D., Bodzay B., Sajó I. E., Bocz K.: Development of Flame-Retarded Nanocomposites from Recycled PET Bottles for the Electronics Industry. Polymers, 11(2), 233, 233/1-233/19 (2019) 10.3390/polym11020233 IF=3.426 Q1