HUN-REN-BME Kutatócsoport





Grafénnel töltött elasztomer nanokompozitok fejlesztése nagy teljesítményű gumiabroncsok alapanyagaként: mikroszerkezet-tulajdonság összefüggések feltárása

Pályázati azonosító:
2017-2.3.6-TÉT-CN-2018-00002
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2019. július 1. - 2022. június 30.
Témavezető (BME):
Dr. Bárány Tamás
Dr. Tamás-Bényei Péter
Résztvevő kutatók (BME):
Dr. Bárány Tamás
Dr. Halász-Kutasi István Zoltán
Pirityi Dávid Zoltán
Simon Dániel Ábel
Hliva Viktor
Magyar Balázs
Dr. Mészáros László
Dr. Petrény Roland
Dr. Tomin Márton
Dr. Virág Ábris Dávid
Konzorciumi partnerek (BME):
Beijing University of Chemical Technology

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTZÁRÁS)

Pályázat összefoglalója

Napjainkban egyre nagyobb érdeklődés övezi az alacsony gördülési ellenállású, kiemelt kopásállósággal rendelkező abroncsokat ugyanis alkalmazásukkal egyrészt megtakarítás érhető el a járművek üzemanyag fogyasztásában, másrészt az egy abronccsal elérhető futásteljesítmény is jelentősen növelhető. Nem elhanyagolható továbbá az sem, hogy a nagyvárosok légszennyezésében bizonyítottan jelentős súllyal szereplő szálló por mennyisége is csökkenthető ezeknek az abroncsoknak a segítségével, ugyanis ezek egyik forrását a gumiabroncsok kopása során keletkező mikroméretű gumiszemcsék adják. Ezek miatt a környezetbarát, “zöld” gumiabroncsok fejlesztésére irányuló kutatások sok ország számára stratégiai jelentőséggel bíró területet képviselnek. Jelen kutatási projekt célja ilyen alacsony gördülési ellenállású és kiemelkedő kopásállóságú gumiabroncsok gyártása során felhasználható gumikeverékek fejlesztése újfajta nanoerősítőanyagok és gyártástechnológiák alkalmazása által. A megszerzendő ismeretek nagyban hozzájárulnak ahhoz, hogy gumitermékek (nemcsak abroncsok) tulajdonságai tervezhetők legyenek a jelenlegi „kísérletekből és hibáikból való tanulás” (trial and error) helyett.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2019. július 1. - 2020. június 30.
Részletes szakirodalmi áttekintőt készítettünk a projekt szempontjából leginkább releváns témák feltárásával. Az irodalomkutatásunk kitér a grafén és grafén-oxid erősítésű elasztomer alapú nanokompozitok előállítási módszereire, műszaki-mechanikai tulajdonságaira, valamint lehetséges ipari alkalmazására. Beláttuk, hogy megbízható, jó minőségű grafén beszerzése piaci forrásainkból lehetetlen, így saját magunk kezdtük el a nanoerősítő gyártását. Az irodalmi áttekintő alapján a legalkalmasabb eljárásnak a továbbfejlesztett Hummers módszer bizonyult. A módszer során grafitból oxidálószerek segítségévél grafén-oxidot állítunk elő. A folyamat során azonban termelékenységi problémába ütköztünk, pusztán 1 g nanoerősítő előállítása több hét munkát igényelt, elsősorban a rendelkezésre álló centrifuga alacsony űrtartalma miatt. Ebből kifolyólag került beszerzésre egy Sorvall X4 Pro típusú laborcentrifuga, amelynek segítségével a korábbi centrifuga-kapacitásunkat az ötszörösére növeltük. Az eljárás kihozatala viszonylag magas, 5 g grafitból kb 3,5 g grafén-oxidot tudunk előállítani 1 m/m%-os vizes szuszpenzió formájában. Előkísérleteket is végeztünk sztirol-butadién kaucsuk alapú, grafénnel erősített nanokompozitok előállítása és mechanikai tesztelése kapcsán. Az eredményeink rávilágítottak arra, hogy kapcsolószerek nélkül a szilika, a korom és a grafén nem tud egymást erősítő, hibrid rendszert alkotni. A csak kormot és grafént tartalmazó mintákkal azonban ígéretes nanoerősítést sikerült elérni: azonos koromtartalom mellett 10 phr grafén 240%-ról 420%-re növelte a szakadási nyúlását a mintának, miközben a minta modulusa alig változott.
A centrifuga a beüzemelést követően

2. munkaszakasz
2020. július 1. - 2021. június 30.
Összehasonlítottuk a szakirodalomban bemutatott anyagvizsgálati módszereket (illetve a velük elérhető vizsgálati eredményeket) saját méréseinkkel. Ennek eredményeképpen kibővítettük a vizsgálati módszereink skáláját, ezáltal széles körűen tudjuk vizsgálni a grafén tartalmú gumikompozitokat a graféntartalom oxidáltsági fokának és rétegszámának szempontjából. Elvégeztünk egy széles körű optimalizációt a szilikával, korommal és grafénnel hibrid módon erősített gumikompozitok kompatibilizálása szempontjából. Eredményeink alapján kijelenthető, hogy a szilán típusú kapcsolószerek jelentősen javítják a három erősítőanyag együttes hatását vizsgált anyagtulajdonságok esetében. Ilyen módon felkészültünk a következő munkaszakaszban meghatározott célokra, vagyis a grafén-oxid alkalmazására reális, iparban alkalmazott gumikeverékekben. (Eddig egyszerűsített, kevesebb komponensből álló gumikeverékekkel dolgoztunk.) Kialakítottuk a latexes keverékkészítés folyamatát saját laborkörülményeink között. Az eredményekből egyértelműen látszik, hogy a grafén-oxid természetes latexben történő eloszlatása lehetséges és ígéretes, a diszpergáltsági foka meghaladja a hagyományos módszerekkel előállított mintákét. További konklúzió, hogy a kiindulási latex eredendő tulajdonságai, illetve az alkalmazott korom minősége nagy mértékben befolyásolják a grafén-oxiddal vagy grafénnel elérhető eredményeket. Ebből a kísérleti sorból egyértelműen következik már a projekt zárásához megfogalmazott magas grafén-oxid tartalmú mesterkeverék előállítása, majd széleskörű értékelése anyagvizsgálati módszerekkel.
A grafénnal erősített, latexes keveréssel előállított minták színmélysége, illetve 300%-os nyúlásnál ébredő húzófeszültsége (Ref – töltetlen, xGnPh – hengerszékes keverés, xGnPk – kézi latexes keverés

3. munkaszakasz
2021. július 1. - 2022. június 30.
Az előző két munkaszakasz eredményeire építve folytattuk a grafénszármazékokkal erősített elasztomer nanokompozitok fejlesztését. Meghatároztuk a szilán kapcsolószer maximális technológiai koncentrációját (6 phr), valamint beláttuk, hogy a szilán jóval intenzívebben befolyásolja a gumi vulkanizátumok tulajdonságait, mint a polietilén-glikol. Méréseinket kiterjesztettük más kaucsuktípusokra is; eredményeink rávilágítottak arra, hogy a kaucsuktípusok közötti átjárhatóság csak megfelelő Mooney viszkozitás esetén lehetséges. Azt is beláttuk, hogy a korom illetve más por állagú erősítőanyagok (grafitpor, grafénpor, GO) latexes adagolásának nincsen műszaki előnye a hagyományos keverékkészítéshez képest. Ezzel szemben latexes keverés esetén már 1 phr GO, rGO vagy in-situ rGO alkalmazásával is 60-80%-kal növeltük a minták szakítószilárdságát. Az általunk vizsgált keverékkészítési eljárások közül a GO, rGO és in-situ rGO erősítő hatásait a latexes keverékkészítéssel tudjuk maximalizálni. A hagyományos keverékkészítés jóval gyengébb eredményeket hozott. Köztes megoldásként latexes keveréssel létrehozunk 10 phr GO-származék tartalmú mesterkeverékeket, amiket már hagyományos keverési eljárásokkal adagoltunk töltetlen kaucsukhoz. A mesterkeverékek alkalmazásával a latexes keveréssel közel azonos eredményeket értünk el, mindezt jóval egyszerűbb technológiával. Ugyan az rGO és az in-situ rGO némileg magasabb szilárdságot biztosít az SBR mátrixnak, mint a módosítatlan GO, ezek az adalékok jelentősen növelik a gumi veszteségi tényezőjét. A GO tartalmú latexes mesterkeverékeink alapját képezték egy gépjárműabroncs prototípusának, amely kimagaslóan alacsony gördülési ellenállással rendelkezik, ezáltal csökkentve a gépjármű fogyasztását.
A latexes keveréssel előállított, csupán 1 phr GO, rGO illetve in-situ rGO tartalmú nanokompozitok főbb tulajdonságai



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Sayfo P., Pirityi D. Z., Pölöskei K.: Characterization of graphene-rubber nanocomposites: a review. Materials Today Chemistry, 29, 101397/1-101397/17 (2023) 10.1016/j.mtchem.2023.101397 IF=6.7 Q1
  2. Pirityi D. Z., Bárány T., Pölöskei K.: Hybrid reinforcement of styrene-butadiene rubber nanocomposites with carbon black, silica, and graphene. Journal of Applied Polymer Science, 139, e52766/1-e52766/13 (2022) 10.1002/app.52766 IF=3 Q2
  3. Pirityi D. Z., Pölöskei K.: Development of graphite- and graphene reinforced styrene-butadiene rubber. Acta Materialia Transylvanica, 4, 103-108 (2021) 10.33924/amt-2021-02-09
  4. Pirityi D. Z., Pölöskei K.: Grafit- és grafénerősítésű sztirol-butadién kaucsuk fejlesztése. Acta Materialia Transylvanica, 4, 103-108 (2021) 10.33923/amt-2021-02-09
  5. Guo H., Ji P., Halász I. Z., Pirityi D. Z., Bárány T., Xu Z., Zheng L., Zhang L., Liu L., Wen S.: Enhanced fatigue and durability properties of natural rubber composites reinforced with carbon nanotubes and graphene oxide. Materials, 13, 5746/1-5746/12 (2020) 10.3390/ma13245746 IF=3.623 Q1

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