Effect of graphene nanoplatelets on the physicochemical properties of high-density polyethylene nanocomposites
Authors: Ταράνη Ευαγγελία 
Published: September 2021

Τελευταία, υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τα νανοσύνθετα που εφαρμόζονται σε θερμικά αγώγιμα πολυμερικά υλικά. Τα πολυμερή που είναι πολύ αγώγιμα και ηλεκτροχημικά ενεργά έχουν επικεντρωθεί σε ορισμένες ελπιδοφόρες εφαρμογές όπως ηλιακά στοιχεία, αισθητήρες, συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και σωλήνες.Το πολυαιθυλένιο (PE) είναι ένα ημι-κρυσταλλικό πολυμερές χαμηλού κόστους που παρουσιάζει καλές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες, καθώς και υψηλή χημική αντοχή. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτοκινητοβιομηχανία, σωλήνες, μπουκάλια, καλωδιακά καλύμματα και σωλήνες. Σε ορισμένες περιοχές, η χρήση PE περιορίζεται λόγω των χαμηλών μηχανικών του ιδιοτήτων και ιδιοτήτων φραγής αερίου, της χαμηλής αντοχής στη θερμότητα και των χαμηλών τιμών θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας, μεταξύ άλλων. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα, όπως το οξείδιο του γραφενίου (GO) και τα νανοφυλλίδια του γραφενίου (GNPs), έχουν προταθεί ως πολυλειτουργικά νανοπληρωτικά επόμενης γενιάς για τη βελτίωση των πολυμερικών μητρών λόγω των εξαιρετικών μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων, καθώς και των ιδιοτήτων φραγμού αερίου. Το GO είναι ένα οξειδωμένο παράγωγο γραφενίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως ως εναλλακτική ή πρόδρομη ουσία γραφενίου λόγω της υψηλής διασποράς, της επεξεργασιμότητας σε υδατικό περιβάλλον, του χαμηλού κόστους, της εύκολης σύνθεσης και της ευρείας δυνατότητας μετατροπής του σε γραφένιο. Παράγεται από νιφάδες γραφίτη με τη μέθοδο της θερμικής οξείδωσης που εφευρέθηκε από τον Hummer και τροποποιήθηκε από τους διαδόχους. Τα GNPs είναι μικρές στοίβες πολλαπλών φύλλων γραφενίου, που συνήθως προέρχονται από ενώσεις γραφίτη. Τα GNPs έχουν προταθεί ως επιλογή χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τους νανοσωλήνες άνθρακα και το μονό στρώμα γραφενίου, παρέχοντας αγωγιμότητα σε πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σωματιδίων. Επίσης, παρέχουν ενίσχυση που δεν μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μαύρου άνθρακα. Ο πρώτος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση GO από τον γραφίτη χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Hummer. Ο χαρακτηρισμός του GO επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τις μεθόδους XRD, XPS, FTIR, UV-Vis φασματοσκοπία, RAMAN, TGA, SEM και TEM. Ο δεύτερος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE/GNPs ενισχυμένων με διαφορετικά μεγέθη διαμέτρου (5, 15 και 25 μm) σε διάφορες συγκεντρώσεις (0,5-5% κ.β.) με τη μέθοδο της ανάμιξης τήγματος. Αναφέρεται η επίδραση του μεγέθους της διαμέτρου και της συγκέντρωσης των πληρωτικών στις μορφολογικές, δομικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών. Αυτή η διατριβή στοχεύει στη μέτρηση, κατανόηση, μοντελοποίηση και πρόβλεψη της επίδρασης ρεαλιστικών συνθηκών επεξεργασίας στις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της πολυμερικής μήτρας του HDPE. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν προηγμένες πειραματικές τεχνικές. Έτσι, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής δομική και μορφολογική μελέτη των GNPs στη μήτρα του HDPE (π.χ. κρυσταλλικότητα, αλληλεπίδραση, διασπορά) συνδυάζοντας Περίθλαση Ακτίνων-Χ (XRD), Φασματοσκοπία Raman, Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνω-X (XPS), Φασματοσκοπία Υπερύθρων με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Πολωτικό Οπτικό Μικροσκόπιο (PLM), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (ΤΕΜ) και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM). Για να επιτευχθεί καλύτερη πληρότητα σχετικά με τη δομή των νανοσύνθετων HDPE/ GNPs, η σχετική κρυσταλλικότητα υπολογίστηκε και συγκρίθηκε χρησιμοποιώντας κάποιες από τις προαναφερθείσες τεχνικές (XRD, FTIR, Raman και DSC). Η κρυστάλλωση και η τήξη των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE /GNPs σε μη ισόθερμες συνθήκες μελετήθηκε σε διάφορους ρυθμούς ψύξης χρησιμοποιώντας τη συμβατική Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC), καθώς και τη Διαφορική Θερμιδομετρία Πολύ Γρήγορης Σάρωσης (FSC). Η πρωτογενής και δευτερογενής κινητική κρυστάλλωσης των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE/GNPs χαρακτηρίστηκαν ως συνάρτηση του ρυθμού ψύξης. Η προσέγγιση για την περιγραφή πρωτογενούς κρυστάλλωσης βασίζεται σε εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία πυρήνωση και ανάπτυξη σφαιριδίων που διέπονται από εξίσωση τύπου Avrami. Εξετάστηκε μια ισομετατροπική τεχνική για την αξιολόγηση της ενέργειας ενεργοποίησης των νανοσύνθετων κατά τη διαδικασία κρυστάλλωσης μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία. Η FSC ολοκληρώθηκε με μια σε βάθος ανάλυση των πολλαπλών κορυφών τήξης χρησιμοποιώντας την τεχνική της Διαμορφωμένης Θερμοκρασίας DSC (TM-DSC). Παρουσιάστηκε η επίδραση της διαμέτρου των GNPs στη θερμική σταθερότητα και τον μηχανισμό κινητικής των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών του HDPE χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Θερμοσταθμικής Ανάλυσης (TGA). Πραγματοποιήθηκε διεξοδική μελέτη για την κινητική θερμικής αποικοδόμησης σε όλα τα προετοιμασμένα δείγματα και ακολουθήθηκαν διαδικασίες προσαρμογής μοντέλου για τον υπολογισμό των ενεργειών ενεργοποίησης. Προκειμένου να κατανοηθεί σε βάθος ο μηχανισμός αποσύνθεσης, χρησιμοποιήθηκε η Πυρολυτική Αέρια Χρωματογραφίας- Φασματοσκοπία Μάζας (Py-GC/MS) στα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά HDPE/GNPs έτσι ώστε να ανιχνευθεί κάθε ένα από τα θραύσματα που προέρχονται από κάθε μακρομόριο και να συσχετιστούν τα συλλεγόμενα δεδομένα με τον μηχανισμό αποσύνθεσης. Η επίδραση των GNPs με διαφορετικές διαμέτρου στη θερμική αγωγιμότητα, διερευνήθηκε συστηματικά σε όλες τις τιμές των συγκεντρώσεων. Επίσης, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα των επιλεγμένων μικρομηχανικών μοντέλων στην πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας των νανοσύνθετων υλικών. Διερευνήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση του μεγέθους των GNPs στις θερμομηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων, π.χ. μέτρο αποθήκευσης, συντελεστής απόσβεσης και ιξώδες. Οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων HDPE/GNPs χαρακτηρίστηκαν από δοκιμές εφελκυσμού. Δοκιμάστηκαν διάφορα μικρομηχανικά μοντέλα και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα λαμβάνοντας υπόψη τα διεσπαρμένα και συσσωματωμένα GNPs στη μήτρα HDPE, καθώς και την επίδραση του μηχανικού κατωφλίου αγωγιμότητας. Τέλος, SEM χρησιμοποιήθηκε για να παρατηρηθούν οι επιφάνειες θραύσης των νανοσύνθετων μετά από δοκιμές εφελκυσμού.