Φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός άμορφων και ημικρυσταλλικών πουλυμερών και νανοσύνθετων υλικών υπό την επίδραση μηχανικών, θερμικών και φωτοοξειδωτικών κατεργασιών
Authors: Κανδυλιώτη Γεωργία 
Published: August 2021

Στην παρούσα εργασία επιχειρείται μία ενδελεχής φασματοσκοπική ανάλυση του συνδιοτακτικού πολυπροπυλενίου (sPP), καθώς και των νανοσυνθέτων του με φυλλόμορφους αργίλους σε μία προσπάθεια κατανόησης, σε μικροσκοπικό επίπεδο, των λόγων που οδηγούν στην βελτίωση των ιδιοτήτων των νανοσύνθετων υλικών. Στο πρώτο μέρος της μελέτης, χρησιμοποιείται η Raman φασματοσκοπία για την διερεύνηση των μετασχηματισμών των φάσεων του sPP που λαμβάνουν χώρα υπό την επίδραση διαφόρων διεργασιών, όπως είναι η μηχανική τάση, η απελευθέρωση των δειγμάτων από την εφαρμοζόμενη τάση, και η θερμική κατεργασία. Η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων της Raman φασματοσκοπίας επιβεβαιώθηκε με την βοήθεια της υπέρυθρης φασματοσκοπίας, μίας εκ των πλέον χρησιμοποιούμενων τεχνικών για την μελέτη του sPP. Στα πλαίσια της μελέτης του sPP κατά την διάρκεια της επίδρασης μηχανικής τάσης, επιχειρείται για πρώτη φορά να μελετηθεί το φαινόμενο της "ταλαντούμενης φάσης" (stress-oscillation) χρησιμοποιώντας τόσο την υπέρυθρη όσο και τη Raman φασματοσκοπία. Πρόκειται για ένα φαινόμενο που λαμβάνει χώρα κατά το σχηματισμό του λαιμού που παρατηρείται κατά τον εφελκυσμό ορισμένων πολυμερών, ο οποίος υπό συγκεκριμένες συνθήκες αρχίζει να διαδίδεται με ασταθή τρόπο συναρτήσει του χρόνου. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η περιοδική διακύμανση της τάσης με το χρόνο, ενώ ταυτόχρονα παρατηρείται η εμφάνιση ενός μοτίβο περιοδικά εναλλασσόμενων διαφανών και αδιαφανών πτυχώσεων κάθετων στην διεύθυνση εφελκυσμού του δείγματος. Οι αιτίες της εμφάνισης του φαινόμενου δεν έχουν κατανοηθεί ακόμα και παραμένουν αντικείμενο μελέτης από τους ερευνητές. Στην συγκεκριμένη εργασία προκειμένου να επιτευχθεί το φαινόμενο της "ταλαντούμενης τάσης" δείγματα sPP υποβάλλονται σε βηματική και απότομη αύξηση της τάσης, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Διαπιστώνεται ότι οι περιοχές που εμφανίζουν τις πτυχώσεις παρουσιάζουν τα υψηλότερα ποσοστά μετασχηματισμού από την ελικοειδή στην τρανς-επίπεδη δομή, ενώ δεν αποτελούν τις περιοχές με τον υψηλότερο προσανατολισμό. Στην προσπάθεια κατανόησης σε μεγαλύτερο βάθος του φαινόμενου αυτού, παράλληλα με το sPP, μελετώνται και δείγματα πολύ(τερεφθαλικού αιθυλεστέρα) PET, στα οποία επίσης παρατηρήθηκε το φαινόμενο. Χρησιμοποιώντας τόσο την υπέρυθρη φασματοσκοπία διαπερατότητας όσο και αυτή της μειούμενης ολικής ανάκλασης (ATR FT-IR), διαπιστώνεται και πάλι ότι οι περιοχές των πτυχώσεων συνδέονται με αυξημένα ποσοστά μετασχηματισμού από τη μία φάση σε μία άλλη, αλλά δεν συνδέονται με περιοχές υψηλών ποσοστών προσανατολισμού. Η Raman φασματοσκοπία αποδεικνύει ότι ο μετασχηματισμός στις περιοχές των πτυχώσεων συνοδεύεται από αύξηση της κρυσταλλικότητας, η οποία είναι πολύ υψηλότερη στις αδιαφανείς πτυχώσεις και πιθανόν να αποτελεί την αιτία της έλλειψης διαφάνειας. Ο απώτερος στόχος της μελέτης του sPP ήταν η πλήρης κατανόηση της συμπεριφοράς του υλικού, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται ως πολυμερική μήτρα για την παρασκευή νανοσυνθέτων. Το πρώτο σύστημα το οποίο μελετάται στην παρούσα εργασία παρασκευάζεται με ανάμιξη τήγματος της πολυμερικής μήτρας με έναν οργανικά τροποποιημένο μοντμοριλλονίτη. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η μελέτη των μεταβολών που πραγματοποιούνται στο πολυμερές λόγω της παρουσίας του νανοπροσθέτου, οι οποίες προφανώς είναι υπεύθυνες για τις ενισχυμένες ιδιότητες που έχουν παρατηρηθεί στη βιβλιογραφία για τα νανοσύνθετα υλικά. Η βασική αναλυτική τεχνική που χρησιμοποιείται είναι η υπέρυθρη φασματοσκοπία με τη βοήθεια της οποίας μελετώνται οι μεταβολές που επάγονται στην πολυμερική μήτρα λόγω της παρουσίας της τροποποιημένης αργίλου. Πράγματι διαπιστώνεται ότι η προσθήκη της νανοαργίλου έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της δομής του πολυμερούς επάγοντας αύξηση του ποσοστού των τμημάτων με ελικοειδή διαμόρφωση. Παράλληλα, μελετάται η επίδραση της αργίλου στους μετασχηματισμούς φάσεων της πολυμερικής μήτρας κατά τη διάρκεια του εφελκυσμού των δειγμάτων, της απελευθέρωσής τους από την εφαρμοζόμενη τάση και της θερμικής τους κατεργασίας. Παρατηρούμε, ότι η παρουσία της αργίλου οδηγεί σε απόκλιση της συμπεριφοράς του πολυμερούς από εκείνη που είχε παρατηρηθεί κατά τη μελέτη του καθαρού συνδιοτακτικού πολυπροπυλενίου. Συνεπώς, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι τα υλικά που προκύπτουν έχουν τροποποιημένη οργάνωση και δομή, δηλαδή μιλάμε για νέα υλικά, γεγονός που αναμένεται να έχει αντίκτυπο σε ορισμένες από τις ιδιότητες του sPP. .