Development of curing and self-healing methodologies of polymeric composites and study of the fiber-matrix interphasial interactions developed
Authors: Κονταξής Λυκούργος 
Published: April 2024

Στην παρούσα διατριβή διερευνάται η δυνατότητα χρήσης του φαινομένου θέρμανσης Joule για τον πλήρη πολυμερισμό μιας θερμοσκληρυνόμενης ρητίνης, καθώς και την ίαση θερμοπλαστικών πολυμερών. Το φαινόμενο θέρμανσης Joule είναι η διαδικασία κατά την οποία η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από έναν αγωγό παράγει θερμότητα. Η προτεινόμενη μέθοδος αυτής τη διατριβής, είναι η εισαγωγή ινών αντίστασης στο πολυμερές υλικό ώστε μέσω της μεθόδου θέρμανσης Joule να διασφαλιστεί ότι η επιθυμητή θερμοκρασία σκλήρυνσης ή αυτοθεραπείας θα επιτευχθεί ομοιόμορφα σε όλο το πολυμερές. Ωστόσο, μια σημαντική ανησυχία είναι ότι η εισαγωγή των ινών μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ακεραιότητα του υλικού. Αρχικά, δοκιμάστηκε η βιωσιμότητα της μεθόδου κατά τον πολυμερισμό εποξειδικής ρητίνης και έγινε σύγκριση μεταξύ των δοκιμίων που πολυμερίστηκαν με την μέθοδο Joule και των δοκιμίων που πολυμερίστηκαν στον φούρνο. Χρησιμοποιήθηκαν σύρματα αντίστασης Kanthal, ενσωματωμένα σε μια πλάκα ρητίνης, που λειτουργούσαν ως θερμαντικά στοιχεία. Με βάση αυτά τα πειραματικά ευρήματα δημιουργήθηκαν ακριβή διαγράμματα θερμοκρασίας-χρόνου και θερμοκρασίας-θέσης για καθορισμένες θέσεις και χρόνους. Οι επιπτώσεις του πολυμερισμού με τη μέθοδο αυτή αξιολογήθηκαν με τη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς της πολυμερισμένης ρητίνης σε κάμψη τριών σημείων, και τη σύγκρισή της με την αντίστοιχη συμπεριφορά της ίδιας ρητίνης που πολυμερίστηκε στην ίδια θερμοκρασία σε παραδοσιακό φούρνο. Επίσης, δοκίμια που κατασκευάστηκαν και με τις δύο μεθόδους πολυμερισμού, χαρακτηρίστηκαν σε πειράματα εξόλκυσης μονής ίνας προκειμένου να μελετηθεί η πρόσφυση ίνας-μήτρας, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει τη μετάδοση θερμότητας από την ίνα στη ρητίνη. Τα πειραματικά αποτελέσματα από τις δοκιμές εξόλκυσης μελετήθηκαν μέσω αντίστοιχης θεωρητικής μοντελοποίησης. Το επόμενο φυσικό βήμα ήταν η αντικατάσταση των συρμάτων Kanthal με ίνες άνθρακα. Οι ίνες αντίστασης Kanthal χρησιμοποιήθηκαν ως θερμαντικά στοιχεία αναφοράς και, στη συνέχεια, αντικαταστάθηκαν από έναν θύσανο ινών άνθρακα Torayca της ίδιας ακτίνας. Κατασκευάστηκαν επίσης δοκίμια που πολυμερίστηκαν σε φούρνο, για να συγκριθεί η μέθοδος θέρμανσης με αντίσταση, και για τους δύο τύπους ινών/συρμάτων με τη συμβατική μέθοδο πολυμερισμού. Όλα τα δοκίμια χαρακτηρίστηκαν μηχανικά σε κάμψη τριών σημείων. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια προκαταρκτική οικονομική μελέτη σχετικά με την κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για την εφαρμογή τόσο της παραδοσιακής μεθόδου πολυμερισμού σε φούρνο όσο και της μεθόδου με ενσωματωμένα θερμαντικά στοιχεία που χρησιμοποιείται για την κατασκευή των ίδιων ποσοτήτων υλικών, η οποία εμφανίζει ένα μέγιστο οικονομικό όφελος που μπορεί να επιτευχθεί με την νέα μέθοδο, της τάξης του 68%.Κλείνοντας, όσον αφορά το σκέλος του πολυμερισμού της ρητίνης, έπρεπε να διαπιστωθεί η εμβέλεια αυτής της μεθόδου, οπότε μελετήθηκε ο βαθμός πολυμερισμού και η δυναμική ιξωδοελαστική συμπεριφορά της εποξειδικής ρητίνης, ως συνάρτηση τόσο του χρόνου πολυμερισμού, όσο και της απόστασης από το θερμαντικό στοιχείο. Για το βαθμό πολυμερισμού πραγματοποιήθηκαν πειράματα DSC, ενώ για τη δυναμική-μηχανική συμπεριφορά της εποξειδικής ρητίνης πραγματοποιήθηκαν πειράματα DMA σε λειτουργία σάρωσης συχνότητας. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πολυμερισμού με θέρμανση Joule καταγράφηκαν θερμικές εικόνες, για να περιγραφεί η μεταβολή της κατανομής της θερμοκρασίας με τη θέση και το χρόνο. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εφαρμογή της τεχνικής των ενσωματωμένων συρμάτων αντίστασης, στην επούλωση θερμοπλαστικών πολυμερών. Σε αυτή τη μελέτη, ο μηχανισμός αυτοΐασης που χρησιμοποιήθηκε είναι η αναμόρφωση δεσμών από θερμικά αναστρέψιμα υλικά, καθώς θερμοπλαστικά όπως το PET υποστηρίζουν αυτού του είδους το μηχανισμό επούλωσης. Κατασκευάστηκαν δοκίμια ΡΕΤ με βλάβες όπως τεχνητές εγκοπές και τεχνητές εκδορές, και διερευνήθηκε η ικανότητά τους να επουλώνονται μετά από εσωτερική θέρμανση. Τα δοκίμια αξιολογήθηκαν τόσο οπτικά όσο και μέσω πειραμάτων κάμψης τριών σημείων. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τα συνολικά συμπεράσματα της εργασίας και τις μελλοντικές επιστημονικές κατευθύνσεις για το θέμα αυτό, ενώ παρατίθενται Παραρτήματα με συμπληρωματικό υλικό. Στο σημείο αυτό είναι σημαντικό να τονιστεί ότι τόσο το θέμα όσο και η μεθοδολογία που ακολουθείται στην παρούσα διατριβή αποτελούν μια πρωτότυπη προσέγγιση του εν λόγω προβλήματος, προσφέροντας νέα γνώση στον σχετικά μικρό αριθμό συναφών δημοσιεύσεων που υπάρχουν σήμερα στη βιβλιογραφία.