Az izotaktikus polipropilén (iPP) napjaink egyik legdinamikusabban fejlődő tömegműanyaga. Az iPP kristályos szerkezetű polimer, ezért tulajdonságai elsősorban a feldolgozás során kialakuló kristályszerkezettől függnek. Az ipari gyakorlatban nagy mennyiségben alkalmaznak hatékony gócképzőket abból a célból, hogy az iPP termékek kristályszerkezetét a felhasználás szempontjából előnyösen változtassák. Napjaink fejlesztési irányzatai szerint olyan gócképzőket alkalmaznak, amelyek részlegesen oldódnak iPP-ben, elősegítve ezzel a gócképző homogenizálását. Előszeretettel alkalmaznak szorbit-származékokat, melyek közismerten oldódnak iPP-ben és jelenlétükben a termék optikai tulajdonságai (átlátszósága és homályossága) igen kedvezően alakulnak. Napjainkban egyre több olyan gócképző jelenik meg, mely az iPP β-módosulatának képződését segíti elő és szintén oldódik a polimerben. Az ilyen anyagok jelenlétében igen változatos szupermolekuláris szerkezetek alakulnak ki, melyek kedvező mechanikai tulajdonságokat eredményeznek. A legnagyobb probléma azonban, hogy a gócképző anyagok hatása előre nem jósolható, így jelenleg csak „próbálgatásos” úton ellenőrizik a gócképzők hatását a gyakorlatban, ami lassú és körülményes módszer. Az irodalomban azonban ismeretes, hogy a gócképző hatékonysága függ az anyag kristálytani szerkezetétől (illeszkedő lapkaméretek elmélete, matching lattice size theory), ezért célunk, hogy meghatározzuk a vizsgált gócképzők kristályszerkezetét, és összevessük az irodalomban a polipropilénre leírt adatokkal. A gócképző hatékonyságon túl természetesen vizsgáljuk az előállított anyagok szelektivitását is, valamint jellemezzük a jelenlétükben kialakuló szerkezetet.

Feladatok

• A vizsgálandó anyagok bekeverése polipropilénbe belső keverővel
• A termék kristályszerkezetének és optikai tulajdonságainak vizsgálata (POM, SEM, WAXS)
• A gócképzőt tartalmazó iPP olvadási és kristályosodási jellegzetességeinek vizsgálata (DSC)
• A termék kristályszerkezetének és optikai tulajdonságainak vizsgálata (POM, SEM, WAXS)
• A gócképzőt tartalmazó iPP olvadási és kristályosodási jellegzetességeinek vizsgálata (DSC)
• Hatékony gócképző esetében a mechanikai tulajdonságok vizsgálata (törés, szakítás)

Jelenleg három modell fejlesztésével és validálásával foglalkozunk:

• Szupermolekuláris képződmények méret és méreteloszlásának szimulálása
• Optikai tulajdonságok (fényszórás, átlátszóság, homályosság) kristályszerkezettől való függésének szimulálása
• Modulus becslésére alkalmas modell fejlesztése

A kutatás célja, azon szerkezeti tényezők felderítése, melyek döntően meghatározzák egy szemikristályos polimer mechanikai és optikai tulajdonságait, elsősorban modulusát és homályosságát, illetve olyan modell készítése és ellenőrzése, mellyel ezek a tulajdonságok leírhatók, értelmezhetők. Korábbi munkánk során kidolgoztunk egy modellt mely mennyiségileg leírja a merevség függését a lamella vastagságtól és a kristályosságtól. A modell alkalmazásával lehetőség nyílik a merevség elérhető maximális értékének meghatározására is, mely fontos információ, mind gyakorlati, mind pedig elméleti szempontból. A munka során a korábban kidolgozott modell segítségével becsüljük különböző polimerek modulusát. Célunk, hogy olyan modellt hozzunk létre, ami általánosan igaz a szemikristályos polimerekre. A munka másik területe egy az optikai tulajdonságok becslésére alkalmas modell fejlesztése, hiszen egy ilyen modell jelentősen gyorsíthatja majd a clarifierek fejlesztésének folyamatát. A kristályos szerkezet és optikai tulajdonságok jobb megismerése továbbá lehetőséget ad az olcsóbb szemikristályos polimerek felhasználási terültének kibővítésére. A munka során tehát a kristályos szerkezet és a homályosság becslésére alkalmas modelleket fejlesztünk.

Feladatok

• Változatos kirstályszerkezetű (kristályosság, gócsűrűség, szferolitméret, mintavastagság) minták készítése különböző szemikristályos polimerekből a matematikai modellek validálásához
• Olvadási és kristályosodási jellegzetességek vizsgálata (DSC, POM, kristályosodás kinetika, szerkezet modellezés)
• Kirstályszerkezet mikroszkópiás vizsgálata (POM, DOM, SEM, AFM, fehér fényű interferométer)
• Optikai tulajdonságok vizsgálata (fényszórás, homályosság, átlátszóság, fényszórás, sötétlátóteres mikroszkópia)
• Mechanikai tulajdonságok vizsgálata (szakítóvizsgálat)
• Modellfejlesztés (Python, MATLAB)
• Részvételi lehetőség: TDK, cikkírás, konferencia részvétel

A Tanszékünk évtizedek óta szoros kapcsolatban áll különböző cégekkel, melyek polipropilén alapú termékeket gyártanak. A MOL Petrolkémia ágazatával a különböző polipropilén típusok adalékrendszerének a fejlesztésében vettünk részt az elmúlt időszakban. Az InnoComp Kft.-vel pedig az elmúlt években kompozitok, illetve gócképzett iPP termékek fejlesztésében működtünk együtt. A munka lehetőséget biztosít a hallgatónak betekinteni egy ipari jellegű probléma feltárásába, megoldásába, illetve polipropilén adalékanyag rendszerek fejlesztésébe. A téma pontosabb területe mindig az aktuális évben vizsgált problémától függ. Hangsúlyoznunk kell, hogy a téma nem indul minden félévben, ezért a témavezetőknél először érdeklődni kell.

Feladatok

• Mindig az adott évben megoldandó problémától függnek
• Gócképzők hatékonyságának tesztelése
• Célzott tulajdonságok elérése a polimer adalékrendszerének finomhangolásával

Az utóbbi néhány évben nagymértékben megnőtt a természetes polimerek iránt az érdeklődés és jelentős kutatási potenciál összpontosul a cellulózra és a keményítőre. A kutatások egyik fő irányát a különböző nanocellulózok (nanokristályos cellulóz, bakteriális nanocellulóz) lehetséges felhasználási területeinek a felderítése jelenti, és egyre jelentősebb az érdeklődés a keményítőből kinyerhető kristályos egységek (nanokristályos keményítő) iránt is. A kristályos nanorészecskékhez leggyakrabban az amorf fázis savas hidrolízisét követően juthatunk. A korábbi időszakban kidolgoztuk a nanocellulóz és a nanokeményítő hatékony előállítását és a bakteriális cellulóz eredményes tisztítási technológiáját. A kutatómunka jelenlegi szakaszában célunk a nanoanyagok előállítása változatos és olcsó alapanyagokból (pl. lignocellulózok és azok hulladékai, különböző eredetű natív keményítők, stb.), a nanorészecskék és nanoszuszpenziók széleskörű jellemezése, a nanorészecskék reakcióképességének a növelése fizikai és kémiai módszerekkel, valamint filmek, membránok és gélek előállítása különböző felhasználásokra (csomagolás, víztisztítás, hatóanyag hordozó rendszerek, stb.).

Feladatok

• Nanoszuszpenzió előállítása különböző alapanyagokból; bakteriális cellulóz tisztítása; a szuszpenziók jellemzése
• A nanorészecskék reakcióképességének növelése
• A nanorészecskék társítása más biopolimerekkel
• Filmek, membránok, gélek előállítása és jellemzése

A célunk olyan természetes fehérje, illetve szintetikus poliaminosav (proteinoid) alapú nanorészecskék fejlesztése, amelyek lehetővé teszik a vízben rosszul oldódó gyógyszerhatóanyagok oldatba vitelét, célba juttatását és késleltetett felszívódását. Mindehhez zöld kémiai eljárásokat alkalmazunk és fejlesztünk: kukoricafehérjéből, illetve aminosavakból kiindulva deszolvációval, vizes közegben hozunk létre nanorészecskéket, amelyeket különböző eredetű és szerkezetű poliszacharidokkal (pektin, alginát, karragén) vonunk be, majd a stabilitásuk növelése érdekében enzimek segítségével térhálósítunk. A nanorészecskék jellemzése során, azok méreteloszlása és hatóanyagleadási jellemzői mellett, kiemelt figyelmet fordítunk a testbe juttatást követő immunválasz vizsgálatára és mérséklésére.

Feladatok

• Nanorészecskék előállítása: ellenoldószeres kicsapás, enzimes reakciók (lebontás, térhálósítás), pufferek készítése, pH-mérés, liofilizálás
• Nanorészecskék méretének, méreteloszlásának (DLS, SAXS, SEM) és töltésének (ζ-potenciál) (DLS, SEM) nyomonkövetése
• Hatóanyagleadás mérése: UV-Vis, HPLC

A biopolimerek előtérbe kerülésével egyre nagyobb hangsúlyt kap a természetes polimerek, ezen belül is a természetes poliszaharidok (PS) műanyag alapanyagként, illetve funkcionális polimerként történő alkalmazása iránti igény. Ezek a makromolekulák olyan megújuló alapanyagok, amelyek biokompatibilisek és biodegradálhatók. A leggyakrabban alkalmazott növényi eredetű poliszaharidokat (keményítő, cellulóz, kitozán, alginát, agar) széles körben alkalmazzák a csomagolóiparban, a mezőgazdaságban és az egészségügyben. A poliszaharidok és a belőlük előállított keverékek és kompozitok számos formában kerülnek felhasználásra, filmeket, fóliákat, nanorészecskéket, illetve különböző géleket, valamint szövettenyésztésre alkalmas vázanyagokat állítanak elő belőlük. Az aktív hatóanyagot tartalmazó PS filmek és hidrogélek kiválóan alkalmazhatóak tartós felhasználást lehetővé tevő ehető csomagolások, antibakteriális rétegek, valamint sebgyógyulást segítő védőbevonatok, továbbá gyógyszerhatóanyag leadó és adszorbens rendszerek előállítására.

Feladatok:

• Agar, kitozán, alginát és keverék PS filmek készítése filmöntéssel. A filmek szerkezetének, áteresztőképességének (oxigén, víz, fény) és mechanika tulajdonságainak vizsgálata. Az előállított filmek tulajdonságainak javítása rétegszilikátok és természetes antioxidánsok felhasználásával, valamint térhálósítással. Az előállított filmek potencionális alkalmazási lehetőségeinek (hosszú idejű eltarthatóságot biztosító ehető csomagolás, kozmetikai maszk, sebgyógyulást segítő fedőréteg, antibakteriális textília, stb) feltérképezése.
• Alginát alapú polielektrolit komplexek létrehozása, majd ezekből hidro-, és kriogélek előállítása különböző módszerekkel, ionos térhálósítást alkalmazva. A gélek színezék megkötésének tanulmányozása: a színezékoldat koncentrációjának, az oldat térfogat/adszorbens gél tömeg arány színezékfelvételre gyakorolt hatásának meghatározása. A színezékmegkötés mechanizmusának és kinetikájának tanulmányozása
• Kitozán hidro-, és kriogélek előállítása különböző móltömegű kitozánokból, ionos és kémiai térhálósítást is alkalmazva. A gélek szerkezetének és tulajdonságainak vizsgálata (SEM, duzzadás, színezékmegkötés). A színezékfelvétel pH függésének tanulmányozása. Az adszorpciót meghatározó paraméterek, valamint a színezékmegkötés mechanizmusának és kinetikájának megállapítása.

A heterogén polimer rendszerek – polimer keverékek, töltőanyagot tartalmazó polimerek, szálerősítésű kompozitok, több társító komponenst tartalmazó hibrid rendszerek – gyártása és felhasználása rohamosan növekszik világszerte. Ezen anyagok alkalmazását az indokolja, hogy ezzel a módszerrel 2-3 év alatt kifejleszthető egy új műanyag, míg egy új polimerizációs eljárás kidolgozásához 6-8 év szükséges. Az ilyen anyagok minden esetben magasabb műszaki tartalommal és így nagyobb hozzáadott értékkel rendelkeznek, mint a polimerizációs eljárásból kikerülő tömegműanyagok. Az utóbbi években jelentősen megnőtt az érdeklődés a természetes szálerősítésű kompozitok iránt is. Ez a természetes szálak előnyös tulajdonságain kívül a környezetvédelmi elvárásoknak, és az alacsonyabb árnak is köszönhető. A természetes szálak nagy mennyiségben állnak rendelkezésre, merevségük és szilárdságuk nagy, ugyanakkor sűrűségük kicsi. Nagyon sok adat áll rendelkezésünkre a természetes szálakat tartalmazó rendszerek merevségére és szilárdságára, kevés azonban a tönkremenetel során lejátszódó deformációs folyamatokra. Utóbbiak ismerete azért fontos, mert ezeknek a jellege és mértéke határozza meg a műanyag makroszkopikus jellemzőit. Munkánk során trópusi országokban nagy mennyiségben előforduló töltőanyagokat és szálakat (cukornád bagasz, cukorpálma rost, kluwak magőrlemény stb.) tartalmazó kompozitokat állítunk elő és vizsgálunk. Első körben a társítóanyagot jellemezzük, indokolt esetben kémiai kezeléssel módosítjuk a tulajdonságait. A kezelt és kezeletlen anyagot műanyag granulátummal (PP, PLA) homogenizáljuk kétcsigás extruder segítségével, majd a fröccsöntött próbatesteken vizsgáljuk a mechanikai jellemzőket, ütésállóságot és deformációs folyamatokat.

A kompozit szerkezeti anyagokkal szemben támasztott általános követelmény a nagy szilárdság és merevség mellett a megfelelő ütésállóság. A kutatómunka során olyan politejsav alapú kompozitokat hozunk létre, amelyekben a hagyományosnak mondható szálak mellett polimer szálakat (PVA, PET) is alkalmazunk az ütésállóság növelésének érdekében. Korábbi tanszéki kutatások során végzett vizsgálatok igazolták, hogy polimer szálak felhasználásával növelhető a rideg polipropilén törési ellenállása. Külső terhelés hatására ezekben az anyagokban mikroszkópikus szinten különböző, úgynevezett mikromechanikai deformációs folyamatok indulhatnak el, amelyek növelik a kompozitok ütésállóságát. A folyamatok jellege függ az erősítőanyag valamint a mátrix tulajdonságaitól és a közöttük kialakuló határfelületi kölcsönhatásoktól. Akusztikus emissziós módszerrel vizsgáljuk a kompozitokban lejátszódó deformációs mechanizmusokat és meghatározzuk a tönkremenetel során domináló folyamatokat.

Feladatok:

• komponensek homogenizálása kétcsigás extruderen
• próbatestek készítése fröccsöntéssel
• mechanikai vizsgálatok elvégzése (szakítás, törés)
• akusztikus emissziós jelek detektálása
• kialakult szerkezet jellemzése (SEM, modell számítás)

A halloysite a természetben nagy mennyiségben előforduló dioktaéderes agyagásvány, több különböző ásványi morfológia is lehetséges, a csőszerű módosulat előfordulása a leggyakoribb. A csövek külső átmérője 30-200 nm, hosszuk pedig 200-3000 nm is lehet. A halloysite töltőanyagként való alkalmazásával növelhető a polimerek merevsége és szilárdsága. Az elmúlt 5-10 évben egyre elterjedtebben használják ezt a társító anyagot elasztomerek és hőre lágyuló műanyagok tulajdonságainak módosítására. A kompozitok mechanikai tulajdonságainak jelentős javulása azonban csak akkor érhető el, ha a töltőanyag szemcséit a feldolgozás során egyedi csövekként tudjuk eloszlatni. Kulcsfontosságú szerepet játszik a halloysite szemcsék és a polimer mátrix között kialakuló kölcsönhatások minősége és erőssége, ami a töltőanyag felületkezelésével befolyásolható. A hallyosite ásványt a kompozitok előállítása mellett gyakran alkalmazzák adszorbensként hatóanyag leadásra is. Ezeken a területeken is elengedhetetlen a komponensek közötti kölcsönhatások módosítása. A jelenlegi kutatásunk célja a halloysite ásvány enzimatikus felületkezelése, annak hatékonyságát meghatározó tényezők feltárása és a polimerkompozitok tulajdonságaira gyakorolt hatásának vizsgálata. További célunk a kompozitok enzimatikus degradációjának a vizsgálata.

Feladatok:

• halloysite agyagásvány felültkezelése, felületkezelés hatékonyságának jellemzése
• komponensek homogenizálása (belső keverő)
• próbatestek készítése préseléssel és stancolással
• mechanikai vizsgálatok elvégzése (szakítás)
• kialakult szerkezet jellemzése (SEM)
• enzimatikus degradáció vizsgálata (UV-VIS, pH mérés)

A politejsav (PLA) egy természetes alapú műanyag, mely az emberi szervezetben képes lebomlani. Ez az anyag merev és rideg, lebomlása lassú, ezért lágyítani kell, hogy a számunkra megfelelő mechanikai tulajdonságokat elérjük, valamint célszerű a lebomlás sebességének gyorsítása érdekében is adalékolni. A lágyításra különböző adalékanyagokat fogunk alkalmazni. A hidroxiapatit szemcsék segítik a sejtek letapadását. A hidroxiapatit diszpergálhatóságának javítására felületkezelésre van szükség. A sejtszaporodás elősegítésére természetes antioxidánsokat, kurkumint és resveratrolt keverhetünk a kompozithoz. A kompozit ideális összetételét több lépésben fogjuk meghatározni. Az ideális összetétel meghatározása után 3D nyomtatóval fogunk scaffoldokat létrehozni. Változtatjuk a vázanyag pórus méretét, pórusok kialakítását és a szálvastagságot az ideális mechanikai és biológiai tulajdonságok elérése érdekében.

Feladatok:

• Polimerkompozit ideális összetételének meghatározása (mintakészítés belső keverővel, a minták jellemzése reológiai, mechanikai, biológiai szempontból)
• Szál extrúzió az ideális összetételű kompozitból
• Az extrudált szálból 3D nyomtatással scaffold készítés
• A scaffold mechanikai és mikroszkópos (DOM, SEM) vizsgálata, biológiai kísérletek

Az elmúlt években a társadalom és az ipar érdeklődése megnőtt a természetes, megújuló alapanyagok iránt. A lignin a természetben a második legnagyobb mennyiségben rendelkezésre álló természetes polimer, minden növény tartalmazza kisebb vagy nagyobb mennyiségben. Szerkezete és tulajdonságai eredetétől (származási hely, növényfajta), illetve a kinyerése módjától függnek. A lignin a cellulóz- és bioetanolgyártás mellékterméke, kinyerésére számos eljárást alkalmaznak, és eszerint különböztetik meg a lignin típusokat (kraft lignin, lignoszulfonát, szóda lignin, organoszolv lignin és gőzrobbantott lignin stb.). A kísérleteinkhez is különböző forrásból származó lignineket használunk. A lignint jelenleg főként égetéssel hasznosítják, azonban indokolt lenne nagy hozzáadott értékű termékekben történő alkalmazása. A polimer/lignin keverékek szerkezet-tulajdonság összefüggései többnyire már jól ismertek, ezért a keverékek mechanikai tulajdonságainak javítása érdekében természetes szálak és rétegszilikátok hozzáadásával hibrid kompozitok fejlesztésén dolgozunk. A ligninen számos reaktív csoport található, szerkezetéből fakadóan erős kölcsönhatások kialakítására képes. Ezt kihasználva igyekszünk a lignint lágyítani vagy kémiailag módosítani a kölcsönhatások módosítása és a feldolgozhatóság javítása érdekében. A számos funkciós csoport lehetővé teszi a lignin reaktív komponensként történő alkalmazását is gyanták, poliuretánok vagy kopolimerek előállítására.

A polietilén (PE) a legegyszerűbb kémiai szerkezettel rendelkező tömegműanyag, amelynek gyártása és felhasználása nagy mennyiségben történik. Széleskörű alkalmazását számos előnyös tulajdonságának köszönheti: olcsó, sűrűsége a hagyományos szerkezeti anyagokéhoz képest nagyon kicsi, nem toxikus, tulajdonságai széles körülmények között változtathatók a polimerizációs eljárás körülményeinek megválasztásával és adalékanyagok hozzáadásával. Ráadásul a környezettudatosság szempontjából kulcsfontosságú, hogy újrafeldolgozása egyszerűen megvalósítható. A feldolgozás és az alkalmazás során azonban a polimert magas hőmérséklet, nyírás, oxigén és UV-sugárzás éri, ami a polimer degradációját okozhatja. Degradáció alatt a polimerben a feldolgozás és a használat során végbemenő kémiai folyamatokat értjük, amelyek eredményeként a termék kémiai szerkezete és fizikai tulajdonságai megváltoznak. Ahhoz, hogy ezeket a degradációs reakciókat megakadályozzuk, és a polimer megőrizze előnyös tulajdonságait, stabilizálás szükséges. Az iparban általában szintetikus stabilizátorokat alkalmaznak. Ezek a polimer adalékok azonban kioldódhatnak, kidiffundálhatnak a polimerből, a reakciótermékeik emberi szervezetre gyakorolt hatásáról pedig nagyon keveset tudunk. Emiatt néhány éve felmerült az igény természetes antioxidánsok (lignin, vitaminok, flavonoidok) alkalmazása iránt. Kutatásunk során elvégzendő feladatok: 1) Az antioxidánsok összetételének és jellemzőinek meghatározása különféle módszerekkel; 2) Különböző mennyiségű adalékkal kevert polietilén hatszori degradatív extrúziója; 3) Az extrudált polimer minták jellemzése: reológiai (MFI), mechanikai és termikus (DSC, TGA, OIT) mérések, színmérés, spektroszkópia (FTIR), mikroszkópia (DOM, SEM).

Polyethylene (PE) is a commodity polymer applied in large quantities in many areas of the life. This polymer has low density, it is translucent, water-resistant and harmless for human health moreover it is recyclable and cheap. However polyethylene need to be protected against degradation which occurs as an effect of heat, shearing, oxygen and/or UV light during processing, storage and application. Degradation means that chemical processes take place in the polymer, which cause changes in the chemical and physical properties of the product. To stop these degradative reactions and to preserve favourable properties of the polymer, stabilizing agents are applied. Different synthetic antioxidants are used for stabilization in practice. Replacing synthetic stabilizers by natural antioxidants (e.g. lignin, vitamins, flavonoids) could stop worries caused by the possible harmful effects of their reaction products on human health. The stabilization of polyethylene with natural antioxidants for packaging materials is a new challenge both from the scientific and the industrial point of view. Tasks: 1) Investigation of the composition and the properties of natural antioxidants; 2) Degradative extrusion of polyethylene with different amount of additives; 3) Characterization of extruded polymer samples: rheological (MFI), mechanical and thermal (DSC, TGA, OIT) tests, colour measurement, spectroscopy (FTIR), microscopy (DOM, SEM)