Dr. Tbi TamsEgyetemi adjunktus, Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem,
Gpszmrnki Kar, Polimertechnika Tanszk
2012. November 21.
LebonthatLebonthat
polimerek, biokompozitokpolimerek, biokompozitok
Hirdetnival!!!
-
Jelenlti vet ki kell tlteni!
- Jv
hten gyrltogats!
- Jv
hten rarenden kvli zh
(3. zh), november 29.-n cstrtkn, 15 rakor, itt, azaz az MT eladban!
Bevezets
Biolgiailag leboml
(lebonthat) polimerek
(rviden leboml polimerek vagy biopolimerek) alatt olyan, ltalban termszetes
alap, megjul
erforrsbl ellltott polimereket rtnk, amelyek a talajban komposztlva, vagy biotikus
krnyezetbe
helyezve a gombk, baktriumok vagy algk enzimatikus lebont kpessgnek hatsra hnapok, esetleg nhny v alatt szemmel
nem lthat
rszekre bomlanak
s a bomlstermkek nem szennyezik a krnyezetet vagy a komposztot.
Lebomlssal kapcsolatos fogalmak
Komposztlhat
polimer: Olyan polimer, amely biolgiai bomlsra kpes a komposztban. Lebomlsa
sorn vzz, szervetlen anyagokk
s biomasszv
alakul, szn-dioxid s oxignmentes krnyezetben
metn kpzdse mellett tovbb
a lebomlsi
folyamat hnapok, maximum egy v alatt vgbemegy.
Biolgiailag leboml
(lebonthat) polimer: Olyan polimer, amely biotikus
krnyezetben vagy komposztban a
mikroorganizmusok enzimatikus bont
hatsnak kvetkeztben kpes vzz, szervetlen vegyletekk
s biomasszv
lebomlani szn-dioxid s
oxignmentes krnyezetben
metn
kpzdse mellett tovbb
a lebomlsi folyamat hnapok,
maximum egy v alatt vgbemegy.
Bio-erodlhat
polimerOlyan polimer, amely nem enzimatikus ton kpes lebomlani. Ezek a polimerek ltalban h-
s/vagy, oxign-
s/vagy UV regeds hatsra szttredeznek,
de a tredkek tovbbi lebomlsra nem kpesek. Nem lebomlak a
hagyomnyos rtelemben, csak sztesek.
Lebomlssal kapcsolatos fogalmak
A biolgiai lebomls folyamn cskken a polimer molekulatmege, s a lnctredkeket s az oligomereket
a bont
baktriumok mr fel tudjk dolgozni.
A lebomls sorn vz, humusz (szerves anyagokban gazdag fld), s szn-dioxid, egyes esetekben pedig metn is kpzdik (levegtl elzrt, gynevezett anaerb
bomls).
Mikroorganizmusok bont
hatst (bomls sebessgt) befolysol
tnyezk:- Hmrsklet-
Pratartalom (vagy vztartalom)
- Napfny-
Oxidci
- Hidrolzis-
Polimer molekulaszerkezete (molekulatmeg-, eloszls, kristlyossg, stb.)
Lebomlst elsegt
krnyezet:-
Komposzt (ipari vagy hzi: aerb-anaerb
bomls!)
-
Talaj (elsva)-
Talaj (felsznen)
-
Tenger-
Szennyvz (szennycsatorna)
Leboml
polimerekkel szemben tmasztott kvetelmnyek
Kvetelmnyek a leboml
polimerekkel szemben:-
Hagyomnyos hre lgyul
manyagok feldolgozsi technolgiival
feldolgozhatnak, valamint jrafeldolgozhatnak
kell lennie, azaz legyen hre lgyul
-
A kivltani kvnt anyag mechanikai tulajdonsgaihoz hasonl tulajdonsgokkal kell rendelkezzen
-
Nedvessggel szemben legyen ellenll
(ne legyen vzoldhat)
-
Minden egyes alkoteleme s az ezekbl ellltott leboml
polimer legyen biolgiailag lebonthat, beilleszthet
legyen a termsze
t
krforgsba
Leboml
polimerek csoportostsa
Leboml
polimerek hatsa a krnyezetre
A kemnyt
s a termoplasztikus kemnyt
A kemnyt
A poliszacharidok
csoportjba tartozik a sznhidrt alap
kemnyt, amely egy ismtld
glkz egysgekbl ll
termszetes, polros polimer s az venknt
sokmilli
tonns nagysgrendben kpzd
biomassza egyik f
alkotja (Magyarorszgon a 2008-as adatokat tekintve 16 milli
tonna gabont
termesztettek, amelynek f
rsze a bza s a kukorica).A kemnyt
a nvnyek f
energiaraktrozja (fotoszintzis). Megtallhat
az
venknt megjul
gabonaflkben
(pl. bza, kukorica), a burgonyaflkben, s a hvelyes nvnyekben
(pl. bors). Egysgnyi tmeg
kukoricnak 67m% a
kemnyttartalma, a bznak 68m%, a burgonynak 18m%, a rizsnek pedig 75m%.
A kemnyt
s annak fizikai mdostsa
A
kemnytnek szemcss szerkezettel rendelkezik, amely nmagban nem feldolgozhat
termoplasztikus polimer
feldolgozsi technikkkal, mivel a bomlsi hmrsklete kisebb, mint az olvadsi hmrsklete. A hozzadott lgyttartalom s nyrs segtsgvel azonban elnyrhat
a
szemcseszerkezete. Ez a folyamat a lgyt- anyag tartalom fggvnyben
eredmnyezhet lelmiszeripari kemnytt vagy gynevezett termoplasztikus kemnytt (TPS
ThermoPlastic
Starch).
A TPS valjban nem hre, hanem hre s nyrsra egyttesen lgyul
(termo-mechano-plasztikus).
A kemnyt
s annak fizikai mdostsa
Termoplasztikus kemnyt
tulajdonsgai
A TPS, mint leboml
polimer tulajdonsgai:-
Mivel most mr termoplasztikus gy feldolgozhat
hagyomnyos polimer
alakadsi technolgikkal-
Olcs, mivel a kemnytbl elllthat
-
J
oxign s szn-dioxid zr
kpessggel rendelkezik-
Mechanikailag gyenge (nagymrtkben fgg a lgyttartalmtl)
-
Nagyfok
zsugorodssal rendelkezik-
Nedvessgfelvtele nagy, st, vzoldhat
-
regszik, azaz idvel vltoznak a mechanikai tulajdonsgai-
Knnyen, gyorsan lebomlik
-
Mindezek alapjn nmagban csak ers korltokkal hasznlhat-
Legtbb esetben a szintn leboml
PCL-lel
trstjk (= Mater-Bi)
Mater-Bi
(=PCL/TPS keverk)
A politejsav
A kemnyt
s annak kmiai mdostsa, tejsav ellltsa
Kemnyt
+ cukor erjesztse sorn tejsav kpzdik
Politejsav (PLA) ellltsa
Poly(lactid
acid) vagy Poly(lactide)?
PLLA
Poli-L-tejsav
PDLA
Poli-D-tejsav
PDLLA
Poli-D,L-tejsav
PLA
Politejsav (ltalban
Politejsav (PLA) ellltsa
Politejsav (PLA) tulajdonsgai
A PLA, mint leboml
polimer tulajdonsgai:-
Mechanikailag kivl
(szilrdsg, merevsg), de rideg (PS-hez
hasonl
tulajdonsgok), zsugorodsa csekly (0,3-0,5%)-
Lass
kristlyosods jellemzi, mledkllapotbl
lehtve nagy
valsznsggel teljesen amorf termket kapunk-
Mivel a Tg=55-65C, gy a hllsga is kicsi
-
Tg
fl
melegtve intenzv hideg-kristlyosods indul be-
Hagyomnyos technolgikkal feldolgozhat, de a feldolgozsra rzkeny
-
Hidrofil, de nem vzoldhat; vzgz s gzzr
kpessge a PET-nl rosszabb, ugyanakkor aromazrsa s zsrllsga kitn, ersen polros
-
Lebomlsval nem szennyezi a krnyezetet (vz, humusz, szn-dioxid keletkezik); UV fnynek ellenll
-
Lebomlsa komposztban pr hnap alatt vgbemegy, ugyanakkor csakis egy kezdeti hidrolzis utn indul meg, azaz szobahmrsklet mellett szinte teljesen stabil, s hossztvon, vekig hasznlhat
-
Szleskren mdosthat
mledkkeverssel
(extruzi)-
ra jelenleg a PC ra krl alakul
(1,9 Euro/kg)
Politejsav (PLA) mechanikai tulajdonsgai
0
10
20
30
40
50
60
70
H
z
s
z
i
l
r
d
s
g
[
M
P
a
]
AI1001
AI1031
BI3515
BI3800
Bottle
Frccs
Polipropiln
Polisztirol
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
H
z
r
u
g
a
l
m
a
s
s
g
i
m
o
d
u
l
u
s
z
[
M
P
a
]
AI1001
AI1031
BI3515
BI3800
Bottle
Frccs
Polipropiln
Polisztirol
0102030405060708090
100110120
C
h
a
r
p
y
-
f
l
e
t
s
z
i
l
r
d
s
g
(
n
e
m
b
e
m
e
t
s
z
e
t
t
)
[
k
J
/
m
^
2
]
AI1001
AI1031
BI3515
BI3800
Bottle
Frccs
Polipropiln
Polisztirol
A politejsav feldolgozsa
PLA frccsntse
-
Hossz, intenzv hts (Tg=60C)-
Hossz
utnyomsi id, hogy az
elosztrendszer is lunkermentes
legyen-
Szerszmreg oldalferdesge
(csekly zsugorods)-
Torlnyoms az mledk homogenits
rdekben-
Lehetsg szerint lefuvats
alkalmazsa
PLA zsugorodsa
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
300 400 500 600 700 800Utnyoms [bar]
Z
s
u
g
o
r
o
d
s
[
%
]
H0
HSZ
KE
KH
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,1 1 10 100 1000Id [ra]
Z
s
u
g
o
r
o
d
s
[
%
]
H0
HSZ
KE
KH
PLA zsugorodsa
PLA frccsntse
PLA vkuumformzsa
PLA palackfvsa
A PLA mdostsa
PLA alapanyag mdostsok
Kemnytvel tltttPolitejsav
(0-10-20-30%)
Kemnyt
tlts
PLA
Szaktvizsglat Hz rugalmassgi
modulusz [MPa] Hzszilrdsg
[MPa] Maximlis ernl mrt nyls [%]
3260 210 (97%) 60,1 2,2 (94%) 2,03 0,11 (84%) Hajltvizsglat
Hajlt rugalmassgi modulusz [MPa]
Hajltszilrdsg [MPa]
Maximlis ernl mrt nyls [%]
2680 190 (73%) 85,9 0,8 (69%) 2,15 0,06 (57%)
Cl a lebomlsi id cskkentse rvidtv
alkalmazsokhoz
31 Kemnyt
tlts
PLA vzfelvtele
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 100 200 300 400 500 600 700Trolsi id [ra]
F
e
l
v
e
t
t
v
z
m
e
n
n
y
i
s
g
[
m
%
]
eredeti PLA
extrudlt PLA
5m% kemnyt
10m% kemnyt
15m% kemnyt
20m% kemnyt
25m% kemnyt
30m% kemnyt
KKeemmnnyytt ttaarrttaalloomm
y = 0,0625x + 0,39R2 = 0,9829
y = 0,1025x + 0,53R2 = 0,9854
y = 0,1284x + 0,58R2 = 0,9897
y = 0,1717x + 0,62R2 = 0,9911
y = 0,1998x + 0,62R2 = 0,9922
y = 0,2348x + 0,62R2 = 0,9933
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 5 10 15 20 25 30Kemnyt tartalom [m%]
F
e
l
v
e
t
t
v
z
m
e
n
n
y
i
s
g
[
m
%
]
22 ra
50 ra
77 ra149 ra
246 ra
653 ra
TTrroollssii iidd
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700Trolsi id [ra]
F
e
l
v
e
t
t
v
z
m
e
n
n
y
i
s
g
[
m
%
]
Mrt tmegnvekeds
Szmolt tmegnvekeds
KKeemmnnyytt ttaarrttaalloomm
3 )2(
3
1])[(
= mct
emgtm
Kemnyttartalom [m%] c [g/s] m [m%] R
2 [-]
5 0,000675 1,49 0,989 10 0,001035 2,65 0,997 15 0,001665 4,30 0,998 20 0,002183 5,52 0,998 25 0,002610 6,54 0,997 30 0,002993 7,56 0,998
05001000
15002000
25003000
35004000
45005000
5500
0 10 20 30 40 50Krtapor tartalom [m%]
M
e
r
e
v
s
g
[
M
P
a
]
Krtapor tlts
PLA
Cl az r cskkentse
Krtaporral
tltttPolitejsav
(0-10-30-50%)
A PLA jrahasznostsa
PLA jrafeldolgozsi szintjei
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]
d
Q
/
d
T
[
m
W
]
E
x
o
t
e
r
m
PLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 302 teta szg []
R
e
l
a
t
v
i
n
t
e
n
z
i
t
s
[
-
]
0,1
1
10
100
1000
10000
0 20 40 60 80 100 120 140 160Hmrsklet [C]
T
r
o
l
s
i
m
o
d
u
l
u
s
z
[
M
P
a
]
1C/perc
2C/perc
5C/perc
10C/perc
15C/perc
20C/perc
NNvveekkvv ffeellffttssii sseebbeessssgg
PLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 302 teta szg []
R
e
l
a
t
v
i
n
t
e
n
z
i
t
s
[
-
]
0,1
1
10
100
1000
10000
0 20 40 60 80 100 120 140 160Hmrsklet [C]
T
r
o
l
s
i
m
o
d
u
l
u
s
z
[
M
P
a
]
80C, 10 perc
80C, 20 perc
80C, 30 perc
80C, 40 perc
80C, 50 perc
80C, 60 perc
100C, 10 perc
NNvveekkvv kkrriissttllyyoossssgg
Kristlyosodsi Kristlyolvadsi Hkezelsi id s hmrsklet cscs [C] entalpia [J/g] cscs [C] entalpia [J/g]
Kristlyossg [%]
80C, 10 perc 105,4 -18,4 150,8 20,9 3,3 80C, 20 perc 100,9 -16,3 152,1 21,4 6,7 80C, 30 perc 99,4 -17,8 151,9 21,8 5,3 80C, 40 perc 95,4 -13,2 152,1 23,0 13,0 80C, 50 perc 91,1 -11,4 150,9 24,5 17,3 80C, 60 perc 96,4 -7,5 150,4 23,4 21,0 100C, 10 perc nincs nincs 151,4 25,8 34,1 120C, 10 perc nincs nincs 151,6 29 38,4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]
d
Q
/
d
T
[
m
W
]
E
x
o
t
e
r
m
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]
d
Q
/
d
T
[
m
W
]
E
x
o
t
e
r
m
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]
d
Q
/
d
T
[
m
W
]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]
d
Q
/
d
T
[
m
W
]
PLA kzvetlen jrahasznostsa darlkknt
0
10
20
30
40
50
60
70
H
z
s
z
i
l
r
d
s
g
[
M
P
a
]
AI1031
AI1031_1x_jra
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
H
z
r
u
g
a
l
m
a
s
s
g
i
m
o
d
u
l
u
s
z
[
M
P
a
]
AI1031
AI1031_1x_jra
0102030405060708090
100110
H
a
j
l
t
s
z
i
l
r
d
s
g
[
M
P
a
]
AI1031
AI1031_1x_jra
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
H
a
j
l
t
r
u
g
a
l
m
a
s
s
g
i
m
o
d
u
l
u
s
z
[
M
P
a
]
AI1031
AI1031_1x_jra
PLA kzvetlen jrahasznostsa darlkknt
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
t
l
a
g
o
s
z
s
u
g
o
r
o
d
s
[
%
]
AI1031
AI1031_1x_jra
A NitroKmia
Zrt. biofinomt
projektje
Hunest Biorefinery
Kft.
Biofinomt
projekt
BIOGZ ZEM
Hunest Biorefinery
Kft.
Biofinomt
projekt
Anyagramok (t/v)
BALATONFZFBIOFINOMT
BALATONFZFBIOFINOMT
100 000100 000 3 0003 000
8 0008 000
1 0001 000 Tejsav (lelmiszeripar)
Tejsav (gygyszeripar
Gluten
20
00020
000 Politejsav
30 00030 000 Laktt-szterek
30 00030 000 rlelt bioiszapButanolButanol
Bza
EtanolEtanol
Hunest Biorefinery
Kft.
Biofinomt
projekt
01234567
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Biofi
nom
t
m
i
l
l
i
t
o
n
n
a
Bza
Biofinomt ignye
100000 tonna
Bzaterms Magyarorszgon
Hunest Biorefinery
Kft.
Biofinomt
projekt
Megvalsult politejsav alkalmazsok, termkek
A vilgban megvalsult alkalmazsok
PLA-bl
ICO Zrt. PLA termkcsald
ICO Zrt. PLA termkcsald
ICO Zrt. PLA termkcsald
ICO Zrt. PLA termkcsald
A politejsav lebontsa
A Politejsav (PLA) lebomlsa
PLA laboratriumi lebontsa
PLA
PLA/15m% cellulz
PLA/30m% kemnyt
PLA laboratriumi lebontsa
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Lebontsi id [ra]
T
m
e
g
v
l
t
o
z
s
[
%
]
PLA
PLA/30m%kemnyt
PLA/15m%cellulz
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Lebontsi id [ra]
T
m
e
g
v
l
t
o
z
s
[
%
]
PLA
PLA/30m%kemnyt
PLA/15m%cellulz
Enzimes oldat Desztilllt vz
PLA PLA/30m% kemnyt
PLA/15m% cellulz
Leboml
polimerek komposztlsa
Hmrsklet a komposztban
Id
[nap] ~1 ht
H
m
r
s
k
l
e
t
[
C
]
PLA komposztlsa
PLA PLA/30m% kemnyt
PLA/15m% cellulz
Termkek hzi komposztlsa (0.ht)
Termkek hzi komposztlsa (1.ht)
Termkek hzi komposztlsa (2.ht)
Termkek hzi komposztlsa (3.ht)
Termkek hzi komposztlsa (4.ht)
Termkek hzi komposztlsa (5.ht)
Termkek hzi komposztlsa (6.ht)
Termkek hzi komposztlsa (7.ht)
Termkek hzi komposztlsa (8.ht)
Termkek hzi komposztlsa (9.ht)
Termkek hzi komposztlsa (11.ht)
Termkek hzi komposztlsa (12.ht)
Biokompozitok
Biokompozit definci
Mire utal a bio
sz?-
Bio, mint biolgiai eredet, azaz vagy megjul
vagy pedig termszetes
erforrsbl ellltott (bio-based, renewable
resource
based)
-
Bio, mint biolgiai ton bonthat
(biodegradable)
-
Bio, mint biokompatibilis, azaz emberi szervezetbe beltethet (biocompatible)
Biokompozit definci
Biokompozit (tbbfle definci
ismeretes):Tgabb rtelmezs szerint:-
A biokompozit olyan kompozit, amely teljesti az albbi kritriumok egyikt:
-
legalbb az egyik komponense termszetes, megjul
erforrsbl szrmazik, vagy abbl szintetizlhat,
-
legalbb az egyik komponense biolgiai ton lebonthat,-
sszessgben s rszegysgeiben (mtrix, erstanyag, hatrfellet) is biokompatibilis.
Szkebb rtelmezs szerint:-
Olyan polimer kompozit, amelynek alkotelemei, azaz a mtrixanyag s az erstanyag is kln-kln megjul
vagy termszetes erforrsbl
elllthat
s biolgiai ton le is bonthat, vagy emberi szervezetbe beltethet
(emberi szervezetben felszvd). Kvetkezskppen maga a
biokompozit is biolgiai ton lebonthat.
Biokompozit definci
Defincibl add
krdsek:-
A PP termszetes szlakkal alkotott kompozitjait
is bio-nak
tekinthetjk? A szlak nem tudtak lebomlani, mivel krllelte ket a biolgiai ton nem lebonthat
mtrixanyag.
-
BioPP
(nem kolajbl, hanem ndcukorbl szintetizlt PP, biolgiai ton nem lebonthat) vagy a bio-epoxi
gyanta (szjaolajbl szintetizlt)
termszetes szlakkal alkotott kompozitja
biokompozit?
-
A biolgiai ton lebonthat
mtrix, de nem leboml
szlersts
(pl. sznszl) kompozit biokompozit?
Biokompozitok erstanyagai
Biokompozitok erstanyagai:-
A defincibl ereden termszetes s ltalban nvnyi eredet, biolgiai ton lebonthat
szlak
Lehet mg:-
Mestersges, svnyi, nem lebonthat
szlak (szn, veg, kevlr, bazalt)
KkuszPamut
Henequen
Juta
Kenaf
KenderLen
Anansz
Ramie
Szizl
Nvnyi szlak
A nvnyi szlak f
sszetevi a cellulz, a lignin, a hemicellulz, a viasz s ezek mellett jelents nedvessgtartalommal is rendelkeznek. Ngy csoportba sorolhatak: Hncs, levl, mag s gymlcs szlak.Elnyk:-
Olcsak (20-40%-a az ruk az vegszlnak), knnyek (1,2-1,6 g/cm^3),
-
Biolgiai ton lebonthatak,- F
alapanyaguk a cellulz, amely hatalmas mennyisgben keletkezik
vente a biomassza rszeknt fotoszintzis ltal (200.000.000.000 tonna, amg pl. a vilg polimer termelse 150.000.000 tonna, ebbl pedig
500.000 tonna a politejsav),-
A legnagyobb mennyisgben rendelkezsre ll
megjul
erforrs.
Htrnyok:-
Tulajdonsgaik (tmr, mechanikai tulajdonsgok) nagy szrssal brnak (nvny letkora, lelhely klmja, kinyersi mdja),
-
Gyengbb mechanikai tulajdonsgokkal, hllsggal, termikus stabilitssal (cellulz bomlik), UV-stabilitssal
(lignin bomlik)
rendelkeznek, mint a szintetikus szlak, s ghetek is (gsgtls!),-
Hidrofilek s jelents termszetes vztartalommal rendelkeznek
(Feldolgozsi problmk, PLA-t
hidrolizlhatja!!!).
Szlak tpusa Cellulz-tartalom [m%]Lignin-tartalom
[m%]Hemicellulz-tartalom [m%]
Pektin-tartalom [m%]
Viasz-tartalom [m%]
Vztartalom [m%]
Juta 61-71,5 12-13 13,6-20,4 0,2 0,5 12,6Len 71 2,2 18,6-20,6 2,3 1,7 10,0
Kender 70,2-74,4 3,7-5,7 17,9-22,4 0,9 0,8 10,8Ramie 68,6-76,2 0,6-0,7 13,1-16,7 1,9 0,3 8,0Kenaf 31-39 15-19 21,5 - - -
Sisal 67-78 8-11 10,0-14,2 10,0 2,0 11,0Anansz 70-82 5-12 - - - 11,8
Henequen 77,6 13,1 4-8 - - -
Pamut 82,7 - 5,7 - 0,6 -
Kkusz 36-43 41-45 0,15-0,25 3-4 - 8,0
Hncs-szlak
Levl-szlak
Mag-szlak
Gymlcs-szlak
Szlak tpusaSrsg [g/cm3]
tmr [m] Szakt-szilrdsg [MPa]Young-modulusz
[GPa]Szakadsi nyls [%]
Pamut 1,5-1,6 - 287-800 5,5-12,6 7-8Juta 1,3-1,5 25-200 393-773 13,0-26,5 1,2-1,5Len 1,5 - 345-1100 27,6 2,7-3,2
Kender - - 690 - 1,6Ramie 1,5 - 400-938 61,4-128 1,2-3,8Sisal 1,45 50-200 468-640 9,7-22,0 3-7
Anansz - 20-80 413-1627 34,5-82,5 1,6Kkusz 1,15 100-450 131-175 4-6 15-40E-veg 2,5 8-20 2000-3500 70 2,5S-veg 2,5 8-20 4570 86 2,8Aramid 1,4 - 3000-3150 63-67 3,3-3,7
Sznszl 1,7 8 4000 230-240 1,4-1,8Bazaltszl 2,7 15 1400-2000 62-66 2,2-3,5
A cellulz egy lineris poliszacharid
(hossz
lnc
sznhidrt), amelynek lncmolekulin lv
hidroxil
csoportok alkotnak hidrogn ktseket s emiatt
az sszes termszetes szl hidrofil. A kemnyt
ugyangy poliszacharid, mint a cellulz, csak amg a kemnyt
a tartalk tpanyag szerept tlti be,
addig a cellulz vzanyag.
A cellulz kmiai szerkezete a nvnyi szlakban azonos, de a polimerizcis foka jelentsen eltr
lehet (a legnagyobb 10000 krli). A nvnyi sejtek
szintetizlsakor elszr a cellulz vz kszl el s az tltdik fel ligninnel. A termszetes szlak szilrdsga a cellulz tartalommal n. Polrosak, gy az apolros, hagyomnyos termoplasztikus polimerekkel gyenge adhzi
rhet
el (ebben az esetben kompatibilizls
szksges). Mind a TPS, mind pedig a PLA ersen polros, gy a szintn polros termszetes szlakkal kompatibilizls
nlkl is j
az adhzija.
A cellulzrl rviden
Biokompozitok gyrtstechnolgii
Tekintve, hogy a megjul
erforrsbl ellltott lebonthat
polimerek hre lgyulak (kivtel TPS), gy az ezekbl alkotott biokompozitok gyrtstechnolgii kztt hre lgyul
gyrtstechnolgikat tallunk, mint:
-
Extruzit
kvet
frccsnts (TPS-nl
szinte csak ez alkalmazhat)-
Extruzit
kvet
prsels
-
Prselst kvet
frccsnts- Prsels-
Film-stacking
(rtegels) (nagy szltartalom elrhet)
-
Oldszeres nts-
Pultruzi
(s azt kvet
frccsnts)
ltalnosan elmondhat, hogy annl jobb mechanikai tulajdonsgokkal rendelkez
termket lehet kszteni, minl kmletesebb az adott technolgia a
szlakra nzve (szlhossz), minl nagyobb a szlak szilrdsga s minl nagyobb a szltartalom. Mindezek miatt a pultruzis, s a film-stacking
eljrsokkal lehet
elrni a legnagyobb szilrdsgot, ugyanakkor ezek az eljrsok csak egyszer, lapszer
termkek gyrtsra hasznlhatak s ciklusidejk is hossz.
Frccsntssel bonyolult, mretpontos termkek gyrthatak rvid ciklusidvel, de ennl a technolginl a legjelentsebb a szlak trdeldse.
Termoplasztikus kemnyt
(TPS) alap biokompozitok
TPS alap
kompozitok
Cellulz szlak
TPS alap
kompozitok
Nagyon rvid kritikus szlhosszt mrtek kitn adhzi
TPS alap
kompozitok
TPS alap
kompozitok
A TPS-hez
adott termszetes szlak hatsa:-
Mechanikai tulajdonsgok nvelhetek (szilrdsg, merevsg)
-
Lassul a TPS regedse, rekrisztallizcija
(idbeli ridegedse)-
Elfogadhat
szintre cskken a TPS zsugorodsa
- N
a TPS termikus stabilitsa (TGA vizsglat)-
Lebomls ltalban lassul, ellenllbb lesz a TPS
sszegzsknt elmondhat, hogy a TPS-hez
adott termszetes szlak segtsgvel sokan prbltk ellenslyozni a TPS htrnyos tulajdonsgait, de ez nem vagy csak rszben sikerlt, ezrt nincs vagy nem tudni nmagban TPS alap
biokompozit ipari alkalmazsrl. A TPS Polikaprolaktonnal
(PCL) trstva nyert szleskr
felhasznlst a csomagolstechnikban Mater-Bi
mrkanven.
Politejsav (PLA) alap
biokompozitok (nvnyi szllal erstett)
Szrts szksgessge
1000 ppm
(parts
per million) = 0,1%. A termszetes nvnyi szlak nedvessgtartalma tlagosan ~ 10%!!!
Nvelve a szrtsi hmrskletet, cskken a szrtsi id, s n
az elprologtathat
nedvessg tartalom, de a tl nagy szrtsi hmrsklet a
cellulz degradcijhoz vezethet!
PLA alap
biokompozitok
Mikrofibrillris cellulz szlak
PLA alap
biokompozitok
PLA alap
biokompozitok
Mselyem szlak
Len szlakMselyem szlak
PLA alap
biokompozitok
veg-, s jrahasznostott jsgpaprbl kivont cellulz szlak
PLA alap
biokompozitok vzfelvtele
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 100 200 300 400 500 600 700Trolsi id [ra]
F
e
l
v
e
t
t
n
e
d
v
e
s
s
g
t
a
r
t
a
l
o
m
[
%
]
eredeti PLA
extrudlt PLA
5m% kemnyt
10m% kemnyt
15m% kemnyt
20m% kemnyt
25m% kemnyt
30m% kemnyt
y = 0,0665x + 0,3032R2 = 0,9881
y = 0,1088x + 0,3922R2 = 0,9903
y = 0,1353x + 0,4298R2 = 0,9934
y = 0,1797x + 0,4466R2 = 0,9939
y = 0,208x + 0,4422R2 = 0,9944
y = 0,2414x + 0,4758R2 = 0,9944
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 5 10 15 20 25 30Kemnyt tartalom [%]
F
e
l
v
e
t
t
n
e
d
v
e
s
s
g
t
a
r
t
a
l
o
m
[
%
]
22 ra
50 ra
77 ra
149 ra
246 ra
653 ra
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 100 200 300 400 500 600 700 800Trolsi id [ra]
F
e
l
v
e
t
t
n
e
d
v
e
s
s
g
t
a
r
t
a
l
o
m
[
%
]
15m% cellulz
PLA alap
biokompozitok hllsga
PLA hllsgnak nvelsi lehetsgei:- Megfelel
merevsg
biokompozit ltrehozsa, ami kibrja
a kritikus Tg
fltti tartomnyt (~50C-tl) s a termk hideg-kristlyosodsval biztostja a megemelt hllsgot. Felttel tovbb, hogy a hideg-
kristlyosods sorn a szlak visszatartjk a PLA fajtrfogatsban vgbemen
vltozsokat (srsgvltozs a kristlyosods miatt!!!)
- Megfelel
kristlyossg
biokompozit ltrehozsa, amelyben a kristlyos rszarny biztostja a legalbb 120C-os hllsgot. A PLA mledkbl
htve nagyon lass
kristlyosodssal rendelkezik, azaz szignifikns, hllsgot befolysol
kristlyos rszarnyt lass
htssel s/vagy hatsos
gckpzkkel lehet elrni. A termszetes szlak gckpzknt viselkednek, de gckpzsi hatsuk klnbzik, tovbb
az mledkllapotban
val
feldolgozsi technolgiknl nagy, akr tbb 100C/perc htsi sebessgek lpnek fel.
-
ltalban a kt folyamat egyttesen van jelen, de gy is kihvs hll
PLA biokompozitot
ltrehozni.
PLA alap
biokompozitok hllsga
Gyrtstechnolgia hatsa
Gyrtstechnolgia Biokompozit sszetteleSzilrdsg
[MPa]Rugalmassgi
modulusz [GPa]tmunka (bemetszett)
[kJ/m2]tmunka (nem
bemetszett) [kJ/m2]Nyls [%] HDT [%]
Frccsnts PLA mtrix 40-60 2,5-3,5 3-4 ~15-25 3-5 50-60
Oldszeres nts PLA + 20% mikrocellulz 70 5,2 - - 2 60
Pultruzi s frccsnts
PLA + 25% cellulz rost 108 4,2 8,4 68 - -
Extruzi s prsels PLA + 30% len 54 8,3 - 12 1,0 -
Film-stacking PLA + 40% juta 100 9,4 - 15 1,5 -
Film-stacking PLA + 30% len 100 8,0 - - 2,0 -
Prsels s frccsnts PLA + 30% len 55 6,3 - 11 - -
Prsels s frccsnts
PLA + 30% viszkz 58 4,9 - 72 - -
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% cellulz rost 68 5,3 4 - - 80
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% vegszl 80 6,7 6 - - 74
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% sznszl 110 13 4 - 1,3 62
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% bazaltszl 124 8 9,5 39 3 60
Politejsav (PLA) alap
biokompozitok (nem nvnyi szllal erstett)
vegszl ersts
PLA
Mivel a PLA ersen polros, az veg-, szn-, s bazaltszlak pedig apolrosak, gy ers adhzis kts kialaktshoz kapcsolszer szksges. A legtbb esetben a szlak fellett kezelik szilnnal, ami megfelel
kapcsoldst nyjt poliszterekhez,
gy a PLA-hoz
is.
Sznszl ersts
PLA
Bazaltszl ersts
PLA
Bazaltszlak:-
Vulkanikus eredet
svnyi szlak (bazaltlva megszilrdulsa sorn
kpzdik)-
Sok helyen fellelhet
a vilgon (Magyarorszgon pl. Badacsony, Soml)
-
J
mechanikai tulajdonsgai vannak-
Kmiai felpts az vegszlhoz hasonl
-
Olcs
(2,5 kg/Euro), krnyezetbart, bioinert-
Kivl
vegyszerllsg
-
Nagy hllsg
Bazaltszl ersts
PLA
Bazaltszlak gyrtsa:-
Junkers
technolgia (rvid szlak)
-
Szlhzsos technolgia (folytonos szlak)
Bazaltszl ersts
PLA extrudlsa
s frccsntse
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
0
20
40
60
80
100
120
140
0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]
T
e
n
s
i
l
e
s
t
r
e
n
g
t
h
[
M
P
a
]
Silane treatedNot treated
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]
T
e
n
s
i
l
e
m
o
d
u
l
u
s
[
M
P
a
]
Silane treatedNot treated
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]
F
l
e
x
u
r
a
l
s
t
r
e
n
g
t
h
[
M
P
a
]
Silane treatedNot treated
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]
F
l
e
x
u
r
a
l
m
o
d
u
l
u
s
[
M
P
a
]
Silane treatedNot treated
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
0123456789
101112
0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]
C
h
a
r
p
y
i
m
p
a
c
t
s
t
r
e
n
g
t
h
(
n
o
t
c
h
e
d
)
[
k
J
/
m
2
]
Silane treatedNot treated
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]
C
h
a
r
p
y
i
m
p
a
c
t
s
t
r
e
n
g
t
h
(
u
n
n
o
t
c
h
e
d
)
[
k
J
/
m
2
]
Silane treatedNot treated
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
Bazaltszl ersts
frccsnttt PLA
0
5
10
15
20
25
30
35
40
20 40 60 80 100 120Temperature [C]
D
e
f
l
e
c
t
i
o
n
[
m
m
]
PLA15BN15BS20BS30BS40BS
Bazaltszl ersts
PLA ellltsa Film-stacking eljrssal
Bazaltszl ersts
PLA
Film-stacking
A kompozitok srsge ~ 2,3 g/cm3
Megj.: az alkalmazott erstanyag szvet volt
(csak a szlak fele ll terhels irnyban)!
Gyrtstechnolgia hatsa
Gyrtstechnolgia Biokompozit sszetteleSzilrdsg
[MPa]Rugalmassgi
modulusz [GPa]tmunka (bemetszett)
[kJ/m2]tmunka (nem
bemetszett) [kJ/m2]Nyls [%] HDT [%]
Frccsnts PLA mtrix 40-60 2,5-3,5 3-4 ~15-25 3-5 50-60
Oldszeres nts PLA + 20% mikrocellulz 70 5,2 - - 2 60
Pultruzi s frccsnts
PLA + 25% cellulz rost 108 4,2 8,4 68 - -
Extruzi s prsels PLA + 30% len 54 8,3 - 12 1,0 -
Film-stacking PLA + 40% juta 100 9,4 - 15 1,5 -
Film-stacking PLA + 30% len 100 8,0 - - 2,0 -
Prsels s frccsnts PLA + 30% len 55 6,3 - 11 - -
Prsels s frccsnts
PLA + 30% viszkz 58 4,9 - 72 - -
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% cellulz rost 68 5,3 4 - - 80
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% vegszl 80 6,7 6 - - 74
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% sznszl 110 13 4 - 1,3 62
Extruzi s frccsnts
PLA + 30% bazaltszl 124 8 9,5 39 3 60
Film-stacking PLA + 75% bazaltszvet 437 25 - - 2,5 -
PLA alap
kompozitok
A PLA-hoz
adott termszetes szlak hatsa:-
Mechanikai tulajdonsgok jelentsen nvelhetek
(szilrdsg, merevsg, tsllsg),-
Megnvekedett vzfelvtel a nvnyi szlakkal arnyosan,
-
Kristlyosodst elsegthetik (gckpzsre hajlamosak),-
Termikus stabilits (TGA-val
mrve) ltalban cskken, mivel a cellulz
rzkeny a nagy hmrskletre (>200C),-
HDT rtk (hllsg) nvelhet
vagy a szerkezet merevsgnek nvelsvel,
vagy a kristlyosods jelents mrtk
elsegtsvel (szlak gckpz
hatsa + lass
hts) a kritikus 60C-rl akr 120-140C-ig,
-
Lebomlsi tulajdonsgok a bont
kzegtl, krnyezettl fggen vltoznak. Ha csak hidrolzissel bontjuk a biokompozitot, akkor a szlak miatt lassul a lebomls mivel a cellulz nehezen hidrolizlhat
s trfogata miatt gtolja a
PLA mtrix hozzfrhetsgt.
sszegzsknt elmondhat, hogy a PLA-hoz
adott termszetes szlak segtsgvel a PLA biokompozitok elrik az vegszlas poliszterek mechanikai tulajdonsgait s alkalmass
vlnak mrnki alkatrszek
anyagaknt val
alkalmazsra.
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
A biokompozitok ipari termelsben megvalsult alkalmazsai kztt egyelre fknt nvnyi szlakkal erstett, hagyomnyos, kolaj alap
hre lgyul
polimer kompozitokat
tallhatunk jellemzen olyan terleteken, ahol korbban vegszlas hre lgyul
vagy hre kemnyed
kompozitokat
alkalmaztak, mivel a fajlagos tulajdonsgaik sszevethetek, de htrnyknt megemlthet, hogy a termszetes szlak miatt gsgtlsra szksg van. Ilyen terletek lehetnek a klnbz
jrmvel kls, bels
burkolatai.
Kender ersts
PELen s kender erstsBiokompozit panelok
Kestrel
vrosi aut
s kender ersts
ajt
burkolata Kender ersts
poliszter
robog
burkolat
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
Ugyanakkor a megjul
erforrsbl ltrehozott, de biolgiai lebomlsra nem kpes polimerek nvnyi szllal erstett kompozitjaik
is teret hdtottak az
ipari felhasznlsban, mint pldul az vegszllal vagy nvnyi szllal erstett, szjaolajbl ellltott epoxi
gyanta, amely pldul a John Deere
traktorok egyes alkatrszeinek (burkaolatoknak) az anyagaknt, vagy tetburkol
panelknt is megjelent.
vegszlas szjaolaj-epoxi
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
Cellulz szllal jelents mennyisgben erstett hre lgyul
polimerek extruzijval
vagy hre kemnyed
polimerek pultruzijval
is szles krben
alkalmazhat
alkatrszeket, termkeket lehet ltrehozni, elssorban az ptipar (ablak keretek, padlzat, jrlap), vagy a btoripar szmra.
Farost ersts
hre lgyul polimer (WPC
Wood-
Polymer
Composite)
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
Termszetes szllal erstett, megjul
erforrsbl ellltott s egyben lebonthat
mtrix
(pl. PLA) biokompozit alkalmazsra egyelre mg
kevesebb plda van, mivel a lebonthat
polimer mtrix miatt egyelre szkeptikusak a felhasznlk a hossz
tv
felhasznlst illeten. Ugyanakkor
a mr meglv
alkalmazsok kztt szintn sk jelleg, legtbb esetben lennel, kenderrel, erstett PLA alap
termkeket tallunk.
Len szvet ersts
PLA
Len szvet ersts
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
Csontptls bazalt ersts
PLA vzanyaggal (porzus szerkezet)
A biokompozitok alkalmazsi terlete kz
tartozhat az orvostechnika is, mivel bazalt szllal (bioinert) erstett PLA vzanyagokat (porzus szerkezet) bizonytottan lehet alkalmazni csontptlsra. A vzanyagon a sejtek megtelepednek, s megindul a csontnvekeds, valamint a bazalt szlak lasstjk a vzanyag degradcijt s gy a tejsav kpzdst ezltal pedig a gyulladsos testi vlaszt
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
Nagyobb mennyisg
csont ptlsra alkalmazhat
bazalt szllal erstett PLA szl nyomtatsa is kzvetlenl termkk
(egyedi geometria) FDM (Fused
Deposition Modeling) technolgival.
Nyomtatott PLA termk
Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai
A PLA alap
biokompozitokat
mechanikai szempontbl lehetsges minden olyan terleten lehet alkalmazni, amelyen eddig vegszlas polisztert hasznltak. Mindennek megfelelen a PLA alap, nvnyi vagy svnyi szllal erstett biokompozitok a jvben vrhatan tovbbi terleteken fognak megjelenni, mint pldul az elektronika (nyomtatott ramkr alaplemez, telefonok, laptopok, perifrik burkolata), hztartsi gpek, ptipar, de akr tehervisel, tarts, mrnki (szerkezeti) anyagknt is elterjedhetnek (pl. fogaskerekek, tengelyek).
Slide Number 1Hirdetnival!!!BevezetsLebomlssal kapcsolatos fogalmakLebomlssal kapcsolatos fogalmakLeboml polimerekkel szemben tmasztott kvetelmnyekLeboml polimerek csoportostsaLeboml polimerek hatsa a krnyezetreSlide Number 9A kemnytA kemnyt s annak fizikai mdostsaA kemnyt s annak fizikai mdostsaTermoplasztikus kemnyt tulajdonsgaiMater-Bi (=PCL/TPS keverk)Slide Number 15A kemnyt s annak kmiai mdostsa,tejsav ellltsaPolitejsav (PLA) ellltsaPolitejsav (PLA) ellltsaPolitejsav (PLA) tulajdonsgaiPolitejsav (PLA) mechanikai tulajdonsgaiSlide Number 21PLA frccsntsePLA zsugorodsaPLA zsugorodsaPLA frccsntsePLA vkuumformzsaPLA palackfvsaSlide Number 28PLA alapanyag mdostsokKemnyt tlts PLAKemnyt tlts PLA vzfelvteleKrtapor tlts PLASlide Number 33PLA jrafeldolgozsi szintjeiPLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsaPLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsaPLA kzvetlen jrahasznostsa darlkkntPLA kzvetlen jrahasznostsa darlkkntSlide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44A vilgban megvalsult alkalmazsok PLA-blICO Zrt. PLA termkcsaldICO Zrt. PLA termkcsaldICO Zrt. PLA termkcsaldICO Zrt. PLA termkcsaldSlide Number 50A Politejsav (PLA) lebomlsaPLA laboratriumi lebontsaPLA laboratriumi lebontsaLeboml polimerek komposztlsaHmrsklet a komposztbanPLA komposztlsaTermkek hzi komposztlsa (0.ht)Termkek hzi komposztlsa (1.ht)Termkek hzi komposztlsa (2.ht)Termkek hzi komposztlsa (3.ht)Termkek hzi komposztlsa (4.ht)Termkek hzi komposztlsa (5.ht)Termkek hzi komposztlsa (6.ht)Termkek hzi komposztlsa (7.ht)Termkek hzi komposztlsa (8.ht)Termkek hzi komposztlsa (9.ht)Termkek hzi komposztlsa (11.ht)Termkek hzi komposztlsa (12.ht)Slide Number 69Biokompozit definciBiokompozit definciBiokompozit definciBiokompozitok erstanyagaiNvnyi szlakA cellulzrl rvidenBiokompozitok gyrtstechnolgiiSlide Number 77TPS alap kompozitokTPS alap kompozitokTPS alap kompozitokTPS alap kompozitokSlide Number 82Szrts szksgessgePLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitok vzfelvtelePLA alap biokompozitok hllsgaPLA alap biokompozitok hllsgaGyrtstechnolgia hatsaSlide Number 92vegszl ersts PLASznszl ersts PLABazaltszl ersts PLABazaltszl ersts PLABazaltszl ersts PLA extrudlsa s frccsntseBazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts PLA ellltsa Film-stacking eljrssalBazaltszl ersts PLA Film-stackingGyrtstechnolgia hatsaPLA alap kompozitokBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiSlide Number 116