HUN-REN-BME Kutatócsoport





A polimer oldatok és ömledékek reológiai és szerkezeti jellemzőinek hasznosítása hatékony feldolgozásuk érdekében

Pályázati azonosító:
FK 138501
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2021. október 1. - 2025. szeptember 30.
Témavezető (BME):
Dr. Molnár Kolos

Résztvevő kutatók (BME):
Dr. Szabó Ferenc
Dr. Suplicz András
Dr. Török Dániel
Virág Ábris Dávid

Pályázat összefoglalója

A polimer oldatok és ömledékek reológiai viselkedését régóta nagy tudományos érdeklődés övezi. Ezeknek az anyagoknak a folyási tulajdonságai a makromolekulák szerkezeti sajátosságaiból erednek (struktúrviszkózus viselkedés). Különféle modellekkel az anyag reológiai viselkedéséből a molekuláris szerkezetre lehet következtetni. A projekt egyik célja, hogy ezeknek a modelleknek az alkalmazhatóságát megvizsgálja és tényleges molekulatömeg-mérésekkel validálja. Ezen folyadékoknak a modellezése bonyolult, mert erősen nemnewtoni jellegűek, összenyomhatók, időfüggő folyási jellemzőkkel rendelkeznek (relaxáció játszódik le), egyfajta alakemlékezést is mutatnak, és még folyékony állapotban is nyújthatók (húzófeszültségekkel). Mi ezekre a sajátosságokra nem legyőzendő akadályokként tekintünk, hanem olyan tényezőkként, amelyekből előnyt kovácsolhatunk a hőre lágyuló polimerek feldolgozásánál. Például megfelelő nyíróerők alkalmazásával géleket is fel tudunk dolgozni nanoszálakká, vagy éppenséggel fröccsöntésnél a beömlő öntisztulását is elérhetjük. Három területen tervezzük alkalmazni a kutatás során feltárt, reológiai viselkedés és anyagszerkezet közötti kapcsolatokat:folytonos szálaknál (különösen nanoszálak), fröccsöntésnél és hőre lágyuló mátrixú kompozitoknál. A kutatásban külön hangsúlyt kap, hogy maga a feldolgozástechnológia hogyan változtatja meg az alapanyag molekulatömegét, folyóképességét, valamint azt, hogy ezzel hogyan tudunk előre tervezni, pl. szimulációk során. Szintén érdekes kérdés,hogy a polimerek újrahasznosítása, újrafeldolgozása, vagy akár öregedése, bomlása során hogyan változik az anyag szerkezete (molekulatömeg, kristályosság, mikroműanyag-képződés)

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2021. október 1. - 2022. szeptember 30.
A projekt keretében célunk a reológiai viselkedés és az anyagszerkezet közötti összefüggések alkalmazása három területen: 1. Folytonos szálak Újszerű 3D nyomtatási módszert és nyomtatófejet találtunk fel, amely képes olyan tárgyak 3D nyomtatására, amelyek nano-/mikroszálak és szilárd vagy kitöltő rétegek kombinációjából állnak. A módszer az FFF nyomtatás és az ömledékfúvásnak egyedülálló kombinációja: a filament megömlesztését követően nyomtathatók, vagy mikroszálas szövedékekké alakíthatók forró, nyomás alatt lévő levegő segítségével. Elkészítettük az eszköz prototípusát, és áramlástani szimulációkat végeztünk, valamint különböző vizsgálatokat végeztünk a létrehozott mintákon. Szabadalmi bejelentést tettünk és egy kéziratot is benyújtottunk. 2. Fröccsöntés A projekt első évében a polimerek főbb reológiai tulajdonságainak meghatározása és értékelése történt, különös tekintettel a viszkozitásmérésekre és az idő- és/vagy frekvenciatartományban mérhető dinamikus mechanikai tulajdonságokra (tárolási modulus, veszteségi modulus, veszteségtényező). Célunk egy olyan általánosított modell létrehozása volt, amely képes leírni a polimerek hosszútávú relaxációs viselkedését széles hőmérséklet-tartományban, azaz szilárd és ömledék állapotú anyagok esetében egyaránt. A feldolgozás (fröccsöntés) alatti viselkedés és az alkalmazás összekapcsolódik. A fent említett mérések alapján megalkottuk a modell alapjait. 3. Hőre lágyuló mátrixú kompozitok Meghatároztuk az anyag feldolgozhatóságának határait (feldolgozási ablak). Több modellt is megvizsgáltunk a kaprolaktám polimerizációjának és kristályosodásának, valamint viszkozitásváltozásának leírására a polimerizációs folyamat során. A polimerizációs folyamat modellezésére a Kamal-Sourour modellt használtuk. A modell felépítéséhez próbatesteket készítettünk 150, 170 és 190°C-on a 0-10 perces polimerizációs időtartományban, és megmértük az átalakulás mértékét.

2. munkaszakasz
2022. október 1. - 2023. szeptember 30.
(1) Mestergörbék és molekulatömeg Újszerű módszert dolgoztunk ki, amely a széles körben elérhető mérési technikákat, az oszcillációs reometriát és a dinamikus mechanikai analízist kombinálja a termoreológiailag egyszerű, hőre lágyuló polimerek reológiai tulajdonságainak jellemzésére széles frekvenciatartományban, egészen az üveges tartományig. Ezzel a módszerrel sikeresen feltérképeztük a polisztirol anyagok reológiai viselkedését az ideálisan viszkózus állapottól az ideálisan rugalmas állapotig. (2) Nano- és mikroszálak Amint az előző jelentésben említettük, megépítettünk egy prototípus készüléket és nyomtatófejet. A nyomtatott makropórusos rétegekből (nyomtatott rácsszerkezet) és az ömledékfúvással készített mikroporózus rétegekből egyedi geometriájú hierarchikus struktúrákat tudunk építeni. Szuperszonikus sebességű levegővel akár 300 nm átmérőjű és átlagosan 900 ± 100 nm átmérőjű szálakat hoztunk létre. A szálak és a nyomtatott tárgy szilárd (vagy töltelék) részeinek helyzetét és arányát is szabályozhatjuk. (3) Fröccsöntés A vizsgálatokat spirálformával és egy olyan speciális formával végeztük, amely az áramló ömledéketT-csomópontok segítségével nyolc részre osztja. Ez az elrendezés lehetővé teszi az ömledék azon részeinek részleges szétválasztását és vizsgálatát, amelyek az áramlás során különböző mértékben nyíródnak. A szerszámokban az áramlási viszonyokat részben töltött részek készítésével és nyomásérzékelőkkel vizsgálták. Az adatok kiértékelésére optikai képfeldolgozási módszert dolgoztunk ki. (4) Poliamid 6 és T-RTM Megvizsgáltuk a technológiai paraméterek (polimerizációs hőmérséklet és idő) hatását az anionos gyűrűfelnyitásos polimerizációval előállított PA6 tulajdonságaira. A polimerizációs hőmérsékletet 150 és 175 °C között változtattuk, a kikeményedési idő pedig 2 és 4 perc között volt. A komponensek keverési aránya 94% kaprolaktám, 3% iniciátor és 3% aktivátor volt - ez biztosítja a legnagyobb konverziót.
A szálak előállítására alkalmas nyomtatófej

3. munkaszakasz
2023. október 1. - 2024. szeptember 30.

4. munkaszakasz
2024. október 1. - 2025. szeptember 30.

5. munkaszakasz
0000. 00 00. - 0000. 00 00.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Juhász Á. Gy., Nanys M., Pinke B., Fadel A., Godzierz M., Juriga-Tóth K., Molnár K., Juriga D., Jedlovszky-Hajdú A.: Formation of Three-Dimensional PolysuccinimideElectrospun Fiber Meshes Induced by the Combination ofCaCl2and Humidity. Macromolecular Rapid Communications, , 2300625/1-2300625/12 (2024) 10.1002/marc.202300625 IF=4.6 Q1
  2. Virág Á. D., Juhász Zs., Kossa A., Molnár K.: Combining oscillatory shear rheometry and dynamic mechanical analysis to obtain wide-frequency master curves. Polymer, 295, 126742/1-126742/11 (2024) https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.126742 IF=4.6 Q1
  3. Virág Á. D., Molnár K.: Fertőtlenítő UV-C sugárzás politejsavra gyakorolt roncsoló hatása. Polimerek, 10, 130-136 (2024)
  4. Budavári B., Karancsi Á., Pinke B. G., Pállinger É., Juriga-Tóth K., Király M., Szász Zs., Voszka I., Molnár K., Kőhidai L., Jedlovszky-Hajdú A., S Nagy K.: Long-term shelf-life liposomes for delivery of prednisolone and budesonide. Journal of Molecular Liquids , 394, 123756/1-123756/13 (2024) 10.1016/j.molliq.2023.123756 IF=6 Q1
  5. Krizsma Sz., Suplicz A.: Analysis of the applicability and state monitoring of material extrusion–printed acrylonitrile butadiene styrene injection mould inserts with different infill levels. Materials Today Communications, 35, 106294/1-106294/ (2023) 10.1016/j.mtcomm.2023.106294 IF=3.8 Q2
  6. Virág Á. D., Tóth Cs., Molnár K.: Photodegradation of polylactic acid: Characterisation of glassy and melt behaviour as a function of molecular weight. International Journal of Biological Macromolecules, 252, 14 (2023) 10.1016/j.ijbiomac.2023.126336 IF=8.2 Q1
  7. Semperger O. V., Suplicz A.: The degradation during recycling of polyamide 6 produced by anionic ring‑opening polymerization of ε‑caprolactam. Scientific Reports, 13, 17130/1-17130/11 (2023) doi.org/10.1038/s41598-023-44314-0 IF=4.6 Q2
  8. Kara Y., Kovács N. K., Nagy-György P., Boros R., Molnár K.: A novel method and printhead for 3D printing combined nano-/microfiber solid structures. Additive Manufacturing, 61, 103315/1-103315/ (2023) 10.1016/j.addma.2022.103315 IF=11 D1
  9. Semperger O. V., Török D., Suplicz A.: Development and Analysis of an In-Mold Coating Procedure for Thermoplastic Resin Transfer Molding to Produce PA6 Composites with a Multifunctional Surface. Periodica Polytechnica-Mechanical Engineering, 66, 350-360 (2022) 10.3311/PPme.21048 IF=1.3
  10. Kara Y., Molnár K.: Decomposition Behavior of Stereocomplex PLA Melt-Blown Fine Fiber Mats in Water and in Compost. Journal of Polymers and the Environment, , (2022) 10.1007/s10924-022-02694-w IF=5.3 Q1
  11. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Comprehensive in-mould state monitoring of Material Jetting additively manufactured and machined aluminium injection moulds. Journal of Manufacturing Processes, 84, 1298-1309 (2022) 10.1016/j.jmapro.2022.10.070 IF=6.2 Q2
  12. Fris D. R., Szabó F.: Investigation of segregation in the runner system during injection moulding. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1246, 012029/1-012029/8 (2022) 10.1088/1757-899X/1246/1/012029
  13. Mészáros L., Tatár B., Toth K., Földes A., S. Nagy K., Jedlovszky-Hajdú A., Tóth T., Molnár K.: Novel, injection molded all-polyethylene composites for potential biomedical implant applications. Journal of Materials Research and Technology, 17, 743-755 (2022) 10.1016/j.jmrt.2022.01.051 IF=6.4 D1
  14. Kara Y., Molnar K: Development of single-polypropylene composites interleaved with MWCNT-doped melt-blown fine fiber mats. Polymer Composites, 43, 5208/1- 5208/ (2022) https://doi.org/10.1002/pc.26812 IF=5.2 Q1
  15. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: State-monitoring and product quality measurement of additively manufactured injection mould inserts. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1246, 012020/1-012020/8 (2022) 10.1088/1757-899X/1246/1/012020

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