HUN-REN-BME Kutatócsoport

Új "Zöld" (kisebb ökológiai lábnyommal rendelkező) sport matrac fejlesztése rekreációs célokra

Pályázati azonosító:

2019-1.1.1-PIACI-KFI-2019-00288

Támogató:

Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)

Futamidő:

2020. március 1. - 2024. február 29.

Témavezető (BME):

Dr. Kmetty Ákos

Résztvevő kutatók (BME):

Dr. Kmetty Ákos
Dr. Bárány Tamás
Dr. Tomin Márton
Dr. Romhány Gábor
Zelenainé Kohári Andrea
Dr. Tamás-Bényei Péter
Dr. Litauszki Katalin

Konzorciumi partnerek (BME):

Polifoam Kft. (konzorciumvezető)

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTKEZDÉS)

Pályázat összefoglalója

Napjainkban világviszonylatban elmondható, hogy a polimer habok piaca folyamatosan növekedő tendenciát mutat. Az Egyesült Államokban gyártott polimer hab termékek éves össztömege meghaladja a hárommillió tonnát is, amelyen olyan iparágak osztoznak, mint a csomagoló, az autó-, az építő- vagy a sportszergyártó ipar. A sportolási célra alkalmazott habosított polimer termékek legfontosabb tulajdonsága a kiemelkedő energiaelnyelő képesség. Számos sportágban alkalmaznak különböző sportszőnyegeket biztonsági célból vagy a sporttevékenységet biztosító felületként. Az esés utáni ütközés csillapítását szolgáló szőnyegeket használnak például falmászó termekben, a küzdősportokban, tornagyakorlatoknál, rúdugrás során, valamint sípályák behatárolására szolgáló korlátok anyagaként is. Fontos kiemelni, hogy e habtermékeket főként kőolaj alapú és jelentős ökológiai lábnyommal rendelkező alapanyagok/gyártástechnológiák alkalmazásával állítják elő. A legelterjedtebben alkalmazott alapanyagok közül a poli(vinil-klorid) (PVC), a poliuretán (PUR), a polietilén (PE) és a poli(vinil-klorid)-nitril kaucsuk (PVC-NBR) felhasználását emelhetjük ki. Jelenleg a legtöbb sportszergyártó PVC alapú matracokat gyárt, ezeket elsősorban alacsony áruk és felületi ellenállóképességük miatt alkalmazzák. A PVC-NBR alapú anyagok egy újabb anyagcsalád, amely ötvözi a PVC előnyös tulajdonságait az NBR rugalmasságával így magasabb komfortfokozatú termék előállítását teszi lehetővé. Kiemelendő azonban, hogy a PVC alkalmazása - a feldolgozásához nélkülözhetetlen lágyító tartalma, valamint a kémiai szerkezetében lévő klór miatt - nagy körültekintést és gondosságot igényel. A PVC lágyító tartalma a hosszú időtartamú használata során képes kidiffundálni a belőle készülő termék felületére, amely a ftalátok miatt komoly környezeti és egészségügyi kockázatot jelent. A kémiai szerkezete miatt az életútja végén a PVC-ből készülő termékek kezelésére nagy hangsúlyt kell fektetni és körültekintően eljárni, mivel égése során a hidrogén-klorid (sósav) szabadul fel, vízzel érintkezve pedig savas elegyet alkotva savas esőt okoz. Napjainkban a PVC hulladékként történő kezelése jellemzően energetikai jellegű, amely technikailag égetést jelent, ami a gyártása és feldolgozása során befektetett energiához képest elenyésző mennyiségű energia visszanyerést jelent, nagy kezelési költségek és ökológiai lábnyom mellett. A kutatás-fejlesztési projektünk célja új típusú, csökkentett PVC tartalmú vagy akár PVC-mentes, kisebb ökológiai lábnyommal rendelkező flexibilis, sportolási célú elasztomer alapú habszerkezetek kifejlesztése és gyártástechnológiájának olyan szintű kidolgozása, amely lehetővé teszi a termék sorozatgyártását is. A kifejlesztett termék nagy érdeklődésre tart számot és jelentős mértékű értékesítés prognosztizálható mind a hazai, mind a nemzetközi piacon. A 21. századi – rohanó és stresszel túlterhelt – életmód mellett egyre nagyobb igény érzékelhető a rekreációs és egészségmegőrző tevékenységek iránt. Több tanulmány bizonyította, hogy a jóga és hasonló szabadidős tevékenységek elősegítik a boldogabb és kiegyensúlyozottabb élet megteremtését. A fejlesztésben a BME több, sokéves szakirányú tapasztalattal rendelkező kutatója is részt vesz, emellett a Polifoam Kft 35 éves habgyártói tapasztalattal rendelkezik, amely együttesen szavatolja a projekt során felmerülő feladatok sikeres és hatékony megoldását.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz

2020. március 1. - 2021. február 28.

A projekt kapcsán az első mérföldkő során megvalósult a konkurens termékek feltérképezése. Analitikai vizsgálatok segítségével meghatározásra került a termékek hozzávetőleges összetétele, mechanikai mérések alapján meghatározásra kerültek a fejlesztendő termékkel szemben támasztott követelmények. Kialakításra kerültek a fejlesztésünk eredményeképpen elvárt termék esetén a minőségre és komfort tulajdonságokra vonatkozó elvárások, meghatározásra kerültek a referencia minták tulajdonságai. Mindezek mellett széleskörű irodalomkutatás valósult meg. Ezen irodalomkutatás során feltártuk a szakirodalomban és kereskedelmi forgalomban leggyakrabban előforduló polimer-kaucsuk alapanyagok körét, azok tulajdonságait és az elérhető receptúrákat is. Piackutatás valósult meg, amely során konkurens termékek beszerzésre kerültek és azok minősítése a kidolgozott szempontrendszer alapján megvalósult. Ezen munkaszakasz során kijelölésre kerültek a fő kutatási irányok a PVC-mentes termék kialakítására rendelkezésre álló anyagok és kombinációik összegyűjtése révén is. Széleskörű laboratóriumi vizsgálatok és kísérletterv kidolgozása valósult meg. PVC-mentes habanyagokra vonatkozó fejlesztés, azok kísérletterv szerinti megvalósítása kezdődött el. A receptúrákban alkalmazott komponensek hatásvizsgálata és a keverékek vulkanizálási és habosíthatósági kísérletei a projekt ütemezésének megfelelően megvalósultak. A munkaszakasz során létrejött dokumentáció részletesen tartalmazza többek között a konkurens termékekre vonatkozóan az eredményeket; a referencia anyag mélyreható, részletes jellemzését, a későbbiekben elérendő tulajdonságokkal és azok célértékeivel együtt, tehát kialakításra került egy, a jó minőségű sportmatracokra jellemző tulajdonság-profil; a későbbi fejlesztések során referenciaként használt NBR-PVC alapú habok előállításához szükséges gyártástechnológiai paramétereket. A gyártástechnológia paraméterek meghatározása laborszinten és félüzemi szinten megtörtént.

A01 minta vulkanizációs görbéje

2. munkaszakasz

2021. március 1. - 2022. február 28.

A projekt keretében a második mérföldkő során részletesen vizsgáltuk és elemeztük a PVC-mentes receptúrákat és közülük kiválasztottuk a legígéretesebbeket. Ezt követően ellenőriztük a referencia receptúrákat csökkentett PVC tartalmú és PVC-mentes receptúrák esetében is. Az előzetes vizsgálatok alapján kiválasztott alap és segédanyagok felhasználásával alap-receptúra kidolgozását valósítottuk meg az egyes alternatív anyagcsoportokra. Az eredmények folyamatos értékelését követően módosításokat hajtottunk végre a PVC-mentes keverékek receptúráján laboratóriumi méretekben, kis mennyiségű keverékek készítésével. Vizsgáltuk a keverékek feldolgozhatóságát a beszerzésre került gumiipari extruderen. A feldolgozhatósági vizsgálatok után kiválasztottuk a legígéretesebb receptúrákat és a belőle készült laboratóriumi és üzemi mintákat elemeztük. Meghatározzuk a további fejlesztési irányokat. Vizsgáltuk a laboratóriumi és üzemi mintákat, amely eredménye alapján receptúraoptimalizálási lépéseket hajtottunk végre, illetve irodalomkutatás valósult meg több vonatkozó témakörben.

1. ábra Pásztázó elektronmikroszkópi felvétel PVC-mentes habszerkezetről

3. munkaszakasz

2022. március 1. - 2023. február 28.

A harmadik mérföldkő során, a projekt keretén belül részletesen vizsgáltuk és továbbfejlesztettük az előző munkaszakaszban elért eredmények alapján a PVC mentes receptúrákat, hogy azok minél inkább kielégítsék a sportolók igényeit. Ennek érdekében laboratóriumi méretben, kis mennyiségben vizsgáltuk a keverékek tulajdonságait, illetve feldolgozhatósági tulajdonságait, a különböző alkotók mennyiségének függvényében. A kifejlesztett PVC mentes alapreceptúra alapján biopolimerekkel társított receptúrák fejlesztését tűztük ki célul, amelyet egy átfogó irodalomkutatás előzött meg. Több, különböző biopolimert vizsgáltunk, majd kiválasztottuk a legígéretesebbet és a továbbiakban ennek a fejlesztésével foglalkoztunk. A receptúra, feldolgozási és habosítási technológiák optimalizálását hajtottuk végre laboratóriumi körülmények között, majd átfogó vizsgálatokat végeztünk (mechanikai, morfológia stb.) a legjobbnak ítélt habokon. A felhasználói élmény további javítása érdekében mélyrehatóan foglalkoztunk a különböző sportolási célra szánt habok konvertálhatósági lehetőségeivel, amely első lépése egy szakirodalmi áttekintés volt, majd ezt követően átfogó és sikeres vizsgálatokat végeztünk. A kísérletek segítségével összefüggéseket tudtunk felállítani a végső habok tulajdonságai és kísérletek során alkalmazott paraméterek között.

Pásztázó elektronmikroszkópi felvétel biopolimerrel társított habszerkezetről

4. munkaszakasz

2023. március 1. - 2024. február 29.

A projekt keretében a negyedik mérföldkő során részletesen vizsgáltuk és elemeztük az előző munkaszakasz eredményeképpen kifejlesztett biopolimerekkel társított receptúrákat, majd a legígéretesebbet kiválasztottuk. Ezt követően további keverési próbákat végeztünk, majd kidolgoztunk egy ipari méretű berendezésre vihető technológiát, majd átfogóan vizsgáltuk az üzemi méretben gyártott habok tulajdonságait. További fejlesztéseket végeztünk az alternatív kaucsukok témakörében és az elkészített habokat vizsgáltuk (mechanika, morfológia stb.). Ipari körülmények között előállított nyerskeverékek tárolási idejének átfogó elemzését is elvégeztük (vulkanizáció, beégés, habosíthatóság), amely kiemelten fontos a gyártás szempontjából. Az általunk kifejlesztett biopolimerrel társított habok konvertálási lehetőségeit is felmértük, továbbá vizsgáltokat végeztünk erre vonatkozóan. Vizsgáltuk továbbá az üzemi mintákat is, elsősorban vulkanizációs tulajdonságok, illetve reprodukálhatósági szempontból. A receptúrák összetétele, vulkanizálási jellemzői és habosítás során mutatott viselkedése, valamint a kísérletek alatt előállított matracok tulajdonságai közötti kapcsolat feltérképezése hozzájárult ahhoz, hogy egyrészt a későbbi kutatási feladatokat megkönnyítse, másrészről lehetőséget adott arra, hogy a Polifoam gyártói tapasztalataival összevetve kialakítson egy szerteágazó vevői igényeket kielégítő, biopolimer keverékeket is tartalmazó termék-portfóliót.

Tárolási idő vizsgálata során kapott vulkanizációs görbék

Pályázat támogatásával megjelent közlemények

Béky Cs., Tomin M., Kmetty Á.: Termoplasztikus elasztomerek és habosításuk- áttekintés. Polimerek, 7, 27-32 (2021)