HUN-REN-BME Kutatócsoport





Növelt energiaelnyelő-képességű polimer habstruktúrák kifejlesztése

Pályázati azonosító:
K 132462
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2019. december 1. - 2023. november 30.
Témavezető (BME):
Prof. Dr. Czigány Tibor
Dr. Tomin Márton
Résztvevő kutatók (BME):
Dr. Tomin Márton
Dr. Tamás-Bényei Péter
Dr. Litauszki Katalin
Dr. Gere Dániel

Pályázat összefoglalója

A kutatási projekt célja polimer habstruktúrák fejlesztése és energiaelnyelési mechanizmusának elemzése, különös tekintettel az egy és többrétegű habstruktúrák szerkezete-energiaelnyelő képessége közötti kapcsolatok feltárására, nem lebontható polimer habok és új típusú, biológiai úton lebontható polimer habok alkalmazásával. Ezen eredmények nélkülözhetetlenek a habosított polimer termékek műszaki célú alkalmazásakor úgy, mint járműipari burkolati elemek, háztartási gépek csomagolása, küzdősportok védő eszközei esetén. Kiemelt fontosságú mind a járműben, mind a járművön kívül a közlekedésben résztvevők biztonsága, egészsége, különösen az önvezető, autonóm járművek megjelenésével, valamint ugyancsak minden sportban kiemelten fontos a sportoló egészségének megőrzése és a maradandó sportsérülések elkerülése, ezért számos területen alkalmaznak különböző habstruktúrákat biztonsági célból, illetve a sporttevékenységet biztosító felületként. Mivel a többféle hőre lágyuló polimer rétegből felépülő habok újrahasznosítása jelenleg nehézségekbe ütközik, így kutatásunk során elemezni fogjuk a különböző rétegek együttes újrahasznosíthatóságának lehetőségét, továbbá az egyre szigorodó környezeti direktívák hatására e fejlesztett biopolimer hab egy jó alternatívát nyújthat a jelenleg alkalmazott habanyagok kiváltására.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2019. december 1. - 2020. november 30.
A pályázat első szakaszának keretében átfogó mechanikai, mikroszkópi és morfológiai vizsgálatokat végeztünk különböző sűrűségű és vastagságú polietilén, etilán-vinil-acetát (EVA), valamint poliuretán habokon. A maradandó összenyomódás vizsgálatára irányuló méréseink alapján kimutattuk a habok visszaalakulási képessége, a cellaszerkezet típusa, az átlagos cellaméret, valamint a cellafal vastagság közötti kapcsolatot. Rámutattunk továbbá a nyitott és zárt cellás habok nyomó igénybevételnél tapasztalható eltérő viselkedésére. Térhálósított polietilén (XPE) habok esetében megállapítottuk, hogy a habsűrűség és a mechanikai tulajdonságok (nyomószilárdság, energiaelnyelő-képesség, ütéscsillapítás, visszaalakulási képesség) közötti kapcsolat jól közelíthető a hatványtörvény segítségével. A nagyszámú, különböző paraméterekkel elvégzett (becsapódási energia, dárda geometria, becsapódási sebesség) ejtődárdás vizsgálatok alapján rámutattunk továbbá arra, hogy az ismétlődő ütésszerű igénybevétel hatására a habok dinamikus tulajdonságai habtípustól függően eltérő mértékben romlanak. A zárt cellás habok energiaelnyelő, míg a nyitott cellás habok ütéscsillapító képesség tekintetében ellenállóbbak. Elektronmikroszkópi felvételek alapján megállapítottuk, hogy a dinamikus mechanikai tulajdonságok romlása a mikrocellás szerkezetű EVA habok esetében a polimerek viszkoelasztikus, időfüggő tulajdonságaiból fakad és a késleltetett rugalmas deformációnak tudható be, ezzel szemben a makrocellás XPE habszerkezetek esetében maradó, irreverzibilis alakváltozások lépnek fel a cellaszerkezetben. Megkezdtük továbbá a bio alapú polimer habok fejlesztését. Különböző típusú politejsavat, valamint endo- és exoterm habképzőszereket felhasználva különböző cellaszerkezetű habokat gyártottunk, amelyeken vizsgáltuk a feldolgozási hőmérsékletnek, a habképzőszer típusának és mennyiségének habszerkezetre és sűrűségre gyakorolt hatását.
Ejtősúlyos vizsgálati eredmények: az elnyelt energia, maximális erő, maximális deformáció és ütközési idő habsűrűségtől való függése 30 mm vastag XPE habok esetében

2. munkaszakasz
2020. december 1. - 2021. november 30.
A második kutatási időszak fő célja növelt energiaelnyelésű szintaktikus habszerkezetek fejlesztése volt. Két különböző D-laktid tartalmú politejsavhoz poli(butilén adipát tereftalátot) (PBAT) és polibutilén szukcinátot (PBS) adtunk, és az így kapott keverékeket hőre expandálódó mikrogyöngyökkel (EMS) habosítottuk. A létrehozott ejtődárdás vizsgálatából megállapítottuk, hogy a PBAT hozzáadásával hatékonyan növelhető az eredendően rideg PLA energiaelnyelése, valamint azt is, hogy az 50-50%-os keverékek a legjobbak, mivel az így kialakított kettős folytonos fázis szinergikusan javítja a biopolimerek mechanikai tulajdonságait. Emellett folytattuk a hagyományos polimer habok dinamikus mechanikai jellemzését is, hogy egy új anyagmodellt dolgozzunk ki, amely ütésszerű igénybevételek esetén is pontosan leírja az anyagválaszt. A térhálósított polietilén habok viszkoelasztikus viselkedésének nagy alakváltozási sebesség mellett történő ábrázolására az Ogden-Hill-féle összenyomható hiperelasztikus modellt kombináltuk a Rayleigh-féle csillapítási módszerrel. A szimulációk pontosságát esősúlyos vizsgálatokkal validáltuk. Az újonnan beszerzett Triax ejtősúlyos berendezéssel elkezdtük a különböző sűrűségű, vastagságú, cellaszerkezetű és mátrixanyagú polimer habok ütéscsillapítási képességének vizsgálatát. Megállapítottuk, hogy az ejtési magasság növekedésével a fejsérülések súlyosságát leíró HIC érték egy másodfokú összefüggésnek megfelelően növekszik. Végül előkísérleteket végeztünk 60-140 kg/m3 sűrűségtartományú etilén-vinil-acetát habok párnázási görbéinek meghatározására, amelyhez nagyszámú ejtősúlyos vizsgálatokat végeztünk fokozatosan növekvő becsapódási energiát alkalamzva. Megállapítottuk, hogy a maximális reakcióerő és a statikus terhelés közötti összefüggés jól közelíthető egy exponenciális görbével, amelyből később egy általánosítható, anyagtulajdonságoktól (pl. sűrűségtől) függő egyenletet kívánunk meghatározni a párnázási görbék matematikai leírása céljából.
Kettős-folytonos szerkezet atomerő-mikroszkópi képe

3. munkaszakasz
2021. december 1. - 2022. november 30.
A harmadik kutatási időszakban fő célunk a habosított polimer csomagolóanyagok párnázási görbéinek meghatározása, amihez egy újszerű megközelítést alkalmaztunk. Kísérleteink során különböző sűrűségű térhálósított polietilén és etilén-vinil-acetát habok ejtősúlyos vizsgálatát végeztük el különböző ejtési magasságokat alkalmazva. Eredményeink rámutattak arra, hogy a maximális erő és a statikus terhelés kapcsolata leírható egy általánosítható exponenciális összefüggéssel. Ezt követően elemeztük a habsűrűség és az ejtési magasság hatását az egyenletben szereplő konstansokra, és megállapítottuk, hogy azok elsősorban a hab cellaszerkezetétől függnek. Megvizsgáltuk továbbá egy a párnázási görbék meghatározására szolgáló becslési módszer alkalmazhatósági korlátait a mérési folyamat egyszerűsítése érdekében. A számított és a mért adatok összehasonlítása azt mutatta, hogy a módszer csak alacsonyabb statikus terhelések esetén volt pontos, és alkalmazhatóságának felső korlátja a habsűrűségétől függ. A vizsgált habmintákról készített 3D-s felvételek alapján bebizonyítottuk, hogy a növekvő statikus terhelés és a növekvő ejtési magasság maradandó deformációt okoz a cellaszerkezetben, amit a becslésimódszer nem tud figyelembe venni. Az általunk definiált általánosítható egyenletnek és a becslési módszernek a kombinálásával a görbék ejtősúlyos vizsgálatok nélkül is nagy pontossággal meghatározhatók abban a statikus terhelési tartományban, ahol nem következik be irreverzibilis deformáció. Ez nagymértékben csökkentheti a mérésekre fordított időt és egyszerűsítheti a görbék meghatározásának mérési folyamatát. Eredményeink értékes információval szolgálnak a habosított csomagolóanyagok ütésszerű igénybevétel során mutatott viselkedéséről, és hozzájárulhatnak a hatékonyabb csomagolási megoldások kidolgozásához. Az általunk alkalmazott kombinált megközelítés gyakorlati megoldást kínál a párnázási görbék meghatározásának egyszerűsítésére, miközben pontos eredményeket is biztosít.
3D szkennelt felvétel (a) 30 kg/m3 sűrűségű XPE és (b) 150 kg/m3 sűrűségű EVA habmintákról, amely az irreverzibilis deformáció nagyságát mutatja az ejtősúlyos vizsgálatot követően

4. munkaszakasz
2022. december 1. - 2023. november 30.
A negyedik projektszakaszban a legfontosabb célunk a kifejlesztett biopolimer habok komposztálhatósági és újrahasznosítási potenciáljának vizsgálata volt, amit a biopolimerek felhasználását és a megfelelő hulladékkezelését támogató környezetvédelmi direktívák indokolnak. Megvizsgáltuk, hogy a poli(tejsav) D-laktid tartalma, valamint az expandálható mikrogyöngy típusú habképzőszerek mennyisége és héjanyaga hogyan befolyásolja a komposztálhatóságot. Az eredmények azt mutatták, hogy 8 m% habképzőszer-tartalom esetén a magasabb D laktid tartalmú habosított lemezek gyorsabban lebomlottak (49 nap) az alacsonyabb tartalmúakhoz képest (63 nap), ami az amorf PLA vízdiffúziós tulajdonságainak köszönhető. A poli(tejsav)-alapú szintaktikus haboknál az expandálható mikrogyöngyök csökkentették a lebomlási sebességet, mivel nem csak a mátrix hidratációjának kell megtörténnie, hanem más mechanizmusoknak is, mint például az expandálható mikrogyöngyök és a polimer mátrix határfelületének hidratációja. A közepes sűrűségű habok azonban 70 napon belül még így is lebomlottak. A komposztálhatósági vizsgálatokon túlmenően vizsgáltuk az előállított, a felhasznált habképzőszer típusában és mennyiségében különböző biopolimer alapú habszerkezetek életciklus végi újrahasznosíthatóságát is. MFI és TGA vizsgálatokkal kimutattuk, hogy a PLA alapú biopolimer habok molekulaláncai az újrahasznosítási folyamat során degradálódnak, ami nagyobb folyóképességhez és csökkent hőalaktartáshoz vezetett, A PBAT és PBS hozzáadása a blendekhez tovább fokozta ezeket a hatásokat. A regranulátumokból fröccsöntött próbatesteket gyártva vizsgáltuk továbbá az újrahasznosítási folyamat mechanikai tulajdonságokra gyakorolt hatását és dinamikus mechanikai vizsgálatokkal kimutattuk, hogy az újrahasznosítás hatására az ütésszilárdságban mérhető csökkenés a habképzőszertatalom növelésével kompenzálható.
A lemezminták bomlása a komposztálási idő függvényében (az egyes minták elején szereplő szám a d-laktid tartalmat jelzi)



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Litauszki K., Gere D., Czigány T., Kmetty Á.: Environmentally friendly packaging foams: Investigation of the compostability of poly(lactic acid)-based syntactic foams. Sustainable Materials and Technologies, 35, -/1--/e00527 (2023) 10.1016/j.susmat.2022.e00527 IF=8.6 Q1
  2. Tomin M., Lengyel M. Á., Párizs R. D., Kmetty Á.: Measuring and mathematical modeling of cushion curves for polymeric foams. Polymer Testing, 117, 107837/1-107837/9 (2023) 10.1016/j.polymertesting.2022.107837 IF=5 D1
  3. Tomin M., Török D., Pászthy T., Kmetty Á.: Deformation analysis in impact testing of functionally graded foams by the image processing of high-speed camera recordings. Polymer Testing, 122, 108014/1-108014/ (2023) 10.1016/j.polymertesting.2023.108014 IF=5 D1
  4. Litauszki K., Petrény R., Haramia Zs., Mészáros L.: Combined effects of plasticizers and D-lactide content on the mechanical and morphological behavior of polylactic acid. Heliyon, 9, e14674/1-e14674/9 (2023) 10.1016/j.heliyon.2023.e14674 IF=3.4 Q1
  5. Tomin M., Kossa A., Berezvai Sz., Kmetty Á.: Investigating the impact behavior of wrestling mats via finite element simulation and falling weight impact tests. Polymer Testing, 108, 107521/1-107521/ (2022) 10.1016/j.polymertesting.2022.107521 IF=5.1 D1
  6. Béky Cs., Tomin M., Kmetty Á.: Termoplasztikus elasztomerek és habosításuk- áttekintés. Polimerek, 7, 27-32 (2021)
  7. Litauszki K., Kmetty Á.: Investigation of the damping properties of polylactic acid-based syntactic foam structures. Polymer Testing, 103, 107347 (2021) 10.1016/j.polymertesting.2021.107347 IF=4.931 D1
  8. Morlin B., Litauszki K., Petrény R., Kmetty Á., Mészáros L.: Characterization of polylactic acid-based nanocomposite foams with supercritical CO2. Measurement, 178, 109385/1-109385/6 (2021) 10.1016/j.measurement.2021.109385 IF=5.131 Q1
  9. Tomin M., Kmetty Á.: Polymer foams as advanced energy absorbing materials for sports applications—A review. Journal of Applied Polymer Science, 139, 1-23 (2021) 10.1002/app.51714 IF=3.057 Q2
  10. Peter T., Litauszki K., Kmetty Á.: Improving the heat deflection temperature of poly(lactic acid) foams by annealing. Polymer Degradation and Stability, 190, 109646 (2021) 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109646 IF=5.204 Q1
  11. Tomin M., Kmetty Á.: Különböző típusú sportszőnyegek csúszási ellenálló képességének vizsgálata. in 'XII. Roncsolásmentes Anyagvizsgáló Konferencia és Kiállítás és 10. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban K. Online. 2021.03.17-19,1-10 (2021)
  12. Litauszki K., Kmetty Á.: Tejsav oligomerrel lágyított, politejsav-alapú biopolimer habok előállítása. Acta Materialia Transylvanica, 4, 32-37. (2021) 10.33923/amt-2021-01-06
  13. 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
  14. Tomin M., Kmetty Á.: Evaluating the cell structure‐impact damping relation of cross‐linked polyethylene foams by falling weight impact tests. Journal of Applied Polymer Science, e4999, 1-12 (2020) 10.1002/app.49999 IF=3.125 Q2
  15. Tomin M., Kmetty Á.: Ejtődárdás mérési konstrukció továbbfejlesztése polimer habok dinamikus mechanikai vizsgálatához. Gép, LXXI., 73-76 (2020)
  16. Kmetty Á., Tomin M., Bárány T., Czigány T.: Static and dynamic mechanical characterization of cross-linked polyethylene foams: The effect of density. Express Polymer Letters, 14, 503–509 (2020) 10.3144/expresspolymlett.2020.40 IF=4.161 Q1
  17. Litauszki K., Kmetty Á.: Politejsav kémiai habképzésének lehetőségei exoterm és endoterm típusú habképzőszerek alkalmazásával. Polimerek, 6, 1138-1142 (2020)
  18. Litauszki K., Kmetty Á.: Characterization of chemically foamed poly(lactic acid). IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 903, 012018/1-012018/1-7 (2020) 10.1088/1757-899X/903/1/012018
  19. Tomin M., Kmetty Á.: Különböző típusú birkózószőnyegek ütéscsillapítási képességének össze- hasonlítása a sportágban előforduló sportsérülések megelőzése céljából. Magyar Sporttudományi Szemle, 87, 37-38 (2020)
  20. Tomin M., Kmetty Á.: Investigation of the energy absorption properties of cross-linked polyethylene foams . IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 903, 012059/1-012059/ (2020) 10.1088/1757-899X/903/1/012059

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