Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME GPK, Polimertechnika Tanszék

Témavezető: Dr. Ronkay Ferenc

Vezetőképes polimer kompozitok elektromos, mechanikai és morfológiai tulajdonságai 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Napjainkban a környezetvédelem fontosságát szem előtt tartva mindinkább nő az igény a „zöld energiára”. Egyre szélesebb körben terjed a bioetanol tüzelőanyagként történő használata, valamint, anyagi szempontokat is figyelembe véve, a különböző megújuló energiaforrások felhasználása például áramfejlesztésre, fűtésre és melegvíz készítésére. Az elektromosság tüzelőanyag-cellákkal történő előállítása ígéretes irányzat a környezettudatos energiafelhasználás területén. A cellák közvetlenül elektromosságot állítanak elő víz melléktermék képződése és hőfejlődés mellett. A berendezés egyik legfontosabb eleme a bi- és a monopoláris lemez. Ezek a lemezek tradicionálisan fémből készültek, ám elektrokémiai stabilitásuk nem volt megfelelő, így terelődött a figyelem végül az elektromosan vezető polimer kompozitok irányába.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaimat a BME Polimertechnika Tanszékén végzem. A Tanszék ISO 9001:2008 minősítéssel rendelkezik, a laboratóriumot és mérőberendezéseit pedig a NAT akkreditálja, mindemellett a Tanszék saját impakt faktoros folyóirattal (eXPRESS Polymer Letters) is rendelkezik, amelynek 2012-es impakt faktora 2,294 volt.

 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az elektromosan vezető polimer kompozitok egy elektromosan szigetelő műanyag és elektromosan vezető anyagok (úgynevezett töltőanyagok) keverékei. Ezen töltőanyagok között számon tartunk fémes (például réz) és szénalapúakat (például grafit, korom, szén nanocső, grafén).

A kompozit vezetőképessége akkor nő meg jelentősen, amikor az adalékolt töltőanyag vezetőhálózatot képez a műanyagban, ez általában 12-16 nagyságrendnyi emelkedést jelent, mivel a műanyagok vezetőképessége körülbelül 10-14 S/cm. A kompozit vezetőképességét a felhasznált anyagok fajtája, minősége és a gyártástechnológia szabja meg. Az egyféle töltőanyagot tartalmazó, mono kompozitokban a töltőanyag részecskék általában kevés és rövid vezetőutat hoznak létre, ám a többféle töltőanyagot tartalmazó, hibrid kompozitokban a töltőanyagok szemcseméret-különbségének köszönhetően folytonosabb, bonyolultabb vezetőhálózat képes kialakulni, ami nagyobb elektromos vezetőképességet eredményez. A gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából kulcskérdés a vezetőhálózatot kialakító töltőanyag részecskék eloszlása a műanyagban, mivel jelentősen befolyásolja a kompozit elektromos és mechanikai tulajdonságait.

 

 

Mono és hibrid elektromosan vezető polimer kompozitok vezetőhálózata

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásom elsődleges célja, hogy olyan anyagösszetételeket állítsak elő, amelyek felhasználhatók tüzelőanyag-cellák mono- és bipoláris lemezeinek alapanyagaként. További célom, hogy segítsem a megfelelő gyártástechnológia, alapanyagok és összetételek gyors és egyszerű kiválasztását azzal, hogy vizsgálom az egyes mátrix és töltőanyag rendszerek töltőanyag eloszlását, majd megkeresem az összefüggéseket a kompozitok ezen jellemzője, a mechanikai és az elektromos tulajdonságok között. Végezetül vizsgálom a kompozitok elektromos tulajdonságainak hőmérsékletfüggését, hiszen a végfelhasználás hőmérséklete sokszor nem szobahőmérséklet, hanem ettől eltérő, tüzelőanyag-cellák esetén akár 80-120°C.

Módszerek

Kompozitok előállítása

A kompozitok előállításához többféle műanyagot (polipropilén, poli(butilén-tereftalát) és polikarbonát) és töltőanyagot (grafit, korom, szén nanocső) használtam fel, az anyagösszetételeket belső keverőben ömledékkeveréssel állítottam elő, a próbatesteket és a termékeket pedig fröccsöntéssel és préseléssel készítettem.

 

Töltőanyag-eloszlás vizsgálat

Kifejlesztettem egy új módszert, amely alkalmas a kompozitok töltőanyag tartalmának eloszlás-jellemzésére. A nanoméretű töltőanyagok eloszlását pásztázó elektronmikroszkóppal, míg a grafit eloszlását optikai mikroszkóppal vizsgáltam. Az optikai mikroszkópos felvételeken detektáltam a grafit agglomerátumokat, majd meghatároztam ezek átlagos területét és távolságát, jellemezve ezzel a grafit eloszlását a mátrixban.

 

Elektromos mérések

A kompozitok elektromos vezetőképességének meghatározásához egy nagy pontosságú mérési módszert, úgynevezett négypontos ellenállásmérést alkalmaztam, amely bármely más ismert módszernél pontosabb eredményt szolgáltat. A széles méréshatárú digitális multiméterhez csatlakoztatott négypontos ellenállásmérő fej négy, egy vonalban elhelyezett, aranyozott mérőtűje közül a szélső kettő a mérőáram bevezetésére, míg a belső kettő a feszültség mérésére szolgál.

 

 

A négypontos ellenállásmérés elvi vázlata és az ellenállásmérő fej

 

A fenti mérési módszert továbbfejlesztve, megalkottam egy olyan eljárást, aminek eredményeként változó környezeti hőmérséklet mellett is pontosan vizsgálható a kompozitok vezetőképessége.

 

Mechanikai mérések

A gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából fontos, hogy milyen a kompozitok szilárdsága, ütésállósága vagy merevsége. Ezeket a tulajdonságokat szintén nagyban befolyásolja az, hogy milyen a töltőanyagok eloszlása a kompozitban, így a kutatás során hajlító és Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatokat végeztem, majd vizsgáltam az összefüggéseket a kapott értékek és a töltőanyagok eloszlása között.

 

Eddigi eredmények

Anyagfejlesztés

Több, mint 100 különböző anyagösszetételt hoztam létre, és vizsgáltam azok szerkezeti, mechanikai és elektromos tulajdonságait. A vizsgálatok eredményei nemcsak azt bizonyították, hogy a hibrid, tehát többféle töltőanyagot tartalmazó kompozitok magasabb vezetőképességgel rendelkeznek, hanem azt is, hogy egyszersmind magasabb szilárdságot érnek el, mint a csak egyféle töltőanyagot tartalmazó kompozitok. Ez a hibrid kompozitok esetében kialakuló jobb töltőanyag-eloszlásnak köszönhető, hiszen a grafit, a korom és a szén nanocső javítják egymás eloszlását, ami kiterjedtebb vezetőhálózatot, tehát magasabb vezetőképességet és erősítő hatást, tehát magasabb szilárdságot eredményez. Közvetlen összefüggést fedeztem fel a grafit kompozitokban való eloszlása és a hajlítómerevség között; minél nagyobb a kialakuló grafit agglomerátumok átlagos területe, annál nagyobb a kompozitok hajlítómerevsége.

A kompozitok elektromos vezetőképességét változó környezeti hőmérsékleten vizsgálva a hibrid kompozitok ismét előnyösebb tulajdonságokat mutattak, mint a csak egyféle töltőanyagot tartalmazó anyagok. A polipropilén és poli(butilén-tereftalát) mátrixú hibrid kompozitok vezetőképessége körülbelül 130°C-ig nem változott jelentősen, a polikarbonát mátrixú kompozitok pedig egészen 160°C-ig hőállóak maradtak. A gyakorlati felhasználás szempontjából ez kifejezetten előnyös, hiszen pont a nagyobb töltőanyag tartalommal, tehát jobb elektromos vezetőképességgel és nagyobb merevséggel rendelkező kompozitok képesek magasabb hőmérsékleten is megtartani jó elektromos tulajdonságaikat. A nagy mennyiségű töltőanyag csökkenti a kompozitok hőtágulását, így megakadályozza a vezetőképes “szigetek” egymástól való eltávolodását, a vezetőutak megszakadását.

 

Polipropilén mátrixú hibrid, vezetőképes kompozitok hajlítómerevsége, töltőanyag-eloszlása és elektromos vezetőképessége

 

Gyártástechnológia fejlesztése

A kétféle gyártástechnológiával; préseléssel és fröccsöntéssel gyártott lemezek vizsgálatánál azt tapasztaltam, hogy a fröccsöntéssel készült darabok vezetőképessége rendre 1-2 nagyságrenddel kisebb értéket ért el, mint a préseléssel készülteké. Az eltérésekre a választ a kompozitok kialakuló szerkezetének vizsgálata adta meg. A préselt darabok esetében kvázi homogén szerkezet alakul ki, ami kedvező az elektromos tulajdonságok szempontjából, azonban a fröccsöntött lemezek esetében úgynevezett mag-héj szerkezet alakul ki, ami az elektromos tulajdonságokat rontja. A héj részben a grafit részecskék egy irányba rendeződnek, ezzel alacsonyabb vezetőképességet kialakítva, míg a mag részben a rendeződés nem egyirányú, tehát ez a réteg kvázi homogén, ezzel magasabb vezetőképességű lesz, ezért kapunk összességében alacsonyabb vezetőképességet, mint a préselt darabok esetében.

 

 

Préselt (A) és fröccsöntött (B) lemezek keresztmetszetének elektronmikroszkópos felvétele

 

Gyakorlati hasznosulás

A kutatás eredményeként a kifejlesztett anyagösszetételekből mono- és bipoláris lemezeket készítettünk, majd ipari partner segítségével több teljesítménytartományban tüzelőanyag-cella prototípusokat állítottunk össze. Kutatásunkról és eredményeinkről az MTV Delta című műsora is tudósított.

 

Különböző teljesítményű tüzelőanyag-cellák (30-120 W)

 

Várható impakt, további kutatás

Az eddigi kutatások bíztató eredményeket hoztak; a kifejlesztett anyagösszetételek nemcsak jó elektromos vezetőképességgel, hanem a működés szempontjából más előnyös tulajdonságokkal is bírnak, hiszen a magasabb, üzemi hőmérsékleten is megtartják jó elektromos vezetési tulajdonságaikat. További cél, hogy a működő prototípusok mellett nagysorozatú gyártási módszerek felhasználásával Magyarországon az elsők között valósulhasson meg a tüzelőanyag-cellák gazdaságos tömeggyártása.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

 

1. Király A., Ronkay F.: Szénalapú töltőanyagokat tartalmazó PP bipoláris lemezek üzemanyagcellákhoz: kompromisszum a vezetőképesség és a feldolgozhatóság között, Műanyagipari Szemle, 3, 75-84, 2011.

 

2. Király A., Ronkay F.: Hibridtöltésű vezetőképes műanyagok fejlesztése, Műanyag és Gumi, 48, 441-444, 2011. 

 

3. Király A., Ronkay F.: Vezetőképes polimerek fejlesztése (poszter előadás), VIII. Országos Anyagtudományi Konferencia, Balatonkenese, 2011.10.9-11.

 

4. Király A., Ronkay F.: Üzemanyagcella PET palackokkal - Műanyaghulladékból zöld energia, Élet és Tudomány, 44, 45-47, 2012.

 

5. A. Király, F. Ronkay: Properties of polymer composites containing hybrid fillers. Gépészet 2012: Proceedings of the eighth international conference on mechanical engineering. Budapest, 2012.05.22-25. 228-233. ISBN: 978-963-313-055-1

 

6. A. Király, F. Ronkay: Properties of polymer composites containing hybrid fillers (előadás), Gépészet 2012, Budapest, 2012.05.22-25.

 

7. Király A., Ronkay F.: Üzemanyagcellák bipoláris lemezének gyártástechnológia-fejlesztése, Műanyag és Gumi, 49, 432-435, 2012.

 

8. Király A., Ronkay F.: Tüzelőanyag-cellák bipoláris lemezének anyag- és gyártástechnológia fejlesztése (előadás), Mechanoplast Konferencia, 2013.04.19-20.

 

9. Király A., Ronkay F.: Tüzelőanyag-cellák bipoláris lemezének anyag- és gyártástechnológia-fejlesztése, Mechanoplast 3013. Miskolc, 3013.04.19-20. 1-6. ISBN: 978-963-358-033-2.

 

10. A. Király, F. Ronkay: Development of electrically conductive polymers, Materials Science Forum, 729, 397-402, 2013.

 

11. A. Király, F. Ronkay: Developing bipolar plates for fuel cells, Plastics Research Online, 1-3, 2013. (DOI: 10.2417/spepro.004938)

 

12. A. Király, F. Ronkay: Effect of graphite and carbon black fillers on the processability, electrical conductivity and mechanical properties of polypropylene-based bipolar plates, Polymers and Polymer Composites, 21, 93-100, 2013. (IF: 0,31)

 

13. A. Király, F. Ronkay: Effect of filler dispersion on the electrical conductivity and mechanical properties of carbon/polypropylene composites, Polymer Composites, 34, 1195-1203, 2013. (IF: 1,48)

 

14. A. Király, F. Ronkay: Effect of processing technology on the morphological, mechanical and electrical properties of conductive polymer composites, Journal of Polymer Engineering, 33, 691-699, 2013. (IF:0,28)

 

15. A. Király, F. Ronkay: The influence of nano-sized filler content on the mechanical and electrical properties of hybrid filled conductive polymer composites (előadás), 3rd International conference on Nanomechanics and Nanocomposites, Hongkong, Kína, 2014.05.22-25.

 

 

Hivatkozások listája

 

[1] Blythe T., Bloor D.: Electrical properties of polymers. Cambridge University Press, New York (2005).

 

[2] Antunes R. A., de Oliveira M. C. L., Ett G., Ett V.: Carbon materials in composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells: A review of the main challenges to improve electrical performance. Journal of  Power Sources, 196, 2945-2961 (2011).

 

[3] Dweiri R., Sahari J.: Electrical properties of carbon-based polypropylene composites for bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). Journal of Power Sources, 171, 424-432 (2007).

 

[4] Planes E., Flandin L., Abberola N.: Polymer composites bipolar plates for PEMFCs. Energy Procedia, 20, 311-323 (2012).

 

[5] Mighri F., Huneault M. A., Champagne M. F.: Electrically conductive thermoplastic blend for injection and compression molding of bipolar plates in the fuel cell application. Polymer Engineering and Science, 44, 1755-1765 (2004).