Νανοσύνθετα Πολυμερή: Τύποι και Εφαρμογές
Creators: name: Χολίδης, Βασίλειος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Νανοσύνθετα Πολυμερή
Είδη
Εφαρμογές
Polymer Nanocomposites
Types
Applications

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία έλαβε χώρα ανασκόπηση των τριών κυριότερων κατηγοριών νανοσύνθετων πολυμερών. Η ταξινόμηση των υλικών έγινε με βάση το υλικό της πολυμερικής μήτρας και παρουσιάστηκαν τα είδη των πληρωτικών υλικών για κάθε κατηγορία και η επίδρασή τους στις κυριότερες ιδιότητες όπως οι μηχανικές και θερμικές. Τέλος για κάθε κατηγορία υλικών αναλύθηκαν και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού των υλικών αυτών καθώς επίσης και οι εμπορικές τους εφαρμογές. Ως νανοσύνθετο πολυμερές λογίζεται ένα πολυφασικό υλικό του οποίου η μία τουλάχιστον διάσταση της ενισχυτικής του φάσης βρίσκεται στην τάξη μεγέθους των 100 nm με την ενισχυτική φάση να βρίσκεται διεσπαρμένη εντός της πολυμερικής μήτρας. Η ενσωμάτωση της ενισχυτικής φάσης σε ένα πολυμερές προσδίδει βελτιωμένες ιδιότητες στο μακροσκοπικό υλικό. Τα κυριότερα είδη ενισχυτικής φάσης που χρησιμοποιούνται συνίστανται σε νανοΐνες, νανοσωματίδια και νανοράβδους. Οι κυριότερες μέθοδοι για την παραγωγή νανοσύνθετων πολυμερών είναι με επιτόπου πολυμερισμό, ανάμιξη τήγματος και διεργασία ανάμιξης διαλύματος. Στα πληρωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται ως ενισχυτική φάση συγκαταλέγονται τα μεταλλικά νανοσωματίδια, νανοσωματίδια πηλού, νανοσωλήνες άνθρακα, διπλά στοιβαγμένα υδροξείδια, και διάφορα είδη γραφίτη όπως ο αποφλοιωμένος γραφίτης, τα νανοφύλλα αποφλοιωμένου γραφίτη. Βάσει της διασποράς της ενισχυτικής φάσης τα νανοσύνθετα πολυμερή ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες: τα στρωματοποιημένα, τα αποστρωματοποιημένα και τα μη αναμίξιμα. Τα πλέον διαδεδομένα πολυμερή για την παραγωγή νανοσύνθετων υλικών είναι οι πολυολεφίνες. Τα πολυμερή αυτά βρίθουν εφαρμογών στην αυτοκινητοβιομηχανία για την παραγωγή εξαρτημάτων, στην παραγωγή συσκευασιών, ως εργαστηριακός εξοπλισμός και ως επαναχρησιμοποιούμενα δοχεία. Τα είδη ενισχυτικής φάσης προσδίδουν βελτιωμένες μηχανικές, θερμικές ιδιότητες και βελτιωμένη αντίσταση στη διάχυση αερίων. Η βελτίωση των ιδιοτήτων λαμβάνει χώρα για μία συγκεκριμένη τιμή περιεκτικότητας της ενισχυτικής φάσης. Μία άλλη κατηγορία πολυμερών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νανοσύνθετων είναι τα πολυαμίδια. Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολυμερών υψηλής απόδοσης και χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές αλλά και ως υποκατάστατα μεταλλικών εξαρτημάτων λόγω των εξαιρετικών μηχανικών τους ιδιοτήτων. Η προσθήκη νανοσωματιδίων άνθρακα βελτιώνει δραστικά το μέτρο ελαστικότητας και την αντοχή διαρροής. Τα νανοσύνθετα που έχουν βάση το νάυλον παρουσιάζουν σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας θερμικής παραμόρφωσης και καλή διαστατική σταθερότητα. Η τελευταία ομάδα νανοσύνθετων πολυμερών που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι αυτή των υλικών που έχει ως μήτρα το PET. Τα υλικό αυτό χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στη βιομηχανία συσκευασίας, στη βιομηχανία κλωστοϋφαντουργίας και σε εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία ως πολυμερές υψηλής απόδοσης. Ένα πλεονέκτημα του πολυμερούς αυτού είναι η δυνατότητα διαχείρισής του μετά το πέρας του κύκλου ζωής του προϊόντος καθώς ανακυκλώνεται. Τα νανοσύνθετα που έχουν ως βάση το PET χρησιμοποιούνται και για την παραγωγή υμενίων. Στα είδη της ενισχυτικής φάσης που επιστρατεύονται για την παραγωγή αυτών των υλικών συγκαταλέγονται οι πηλοί, τα νανοσωματίδια μεταλλικών οξειδίων και οι νανοσωλήνες άνθρακα. Ο οργανικά τροποποιημένος πηλός σε μορφή νανοσωματιδών προσδίδει βελτίωση στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες, αντίσταση στη διαπερατότητα αερίων και βραδύτητα στην καύση.
description: A review of the most important polymers that are used for the production of polymer nanocomposites was carried out in this dissertation. The materials were classified based on the polymeric matrix and the genres of the fillers were presented as well. The effect of each filler on the most important properties such as the mechanical and the thermal properties was presented too. Ultimately, the most useful characterization techniques were elaborated as well as the commercial application of these materials were laid out. A polymer nanocomposite is a multiphase material whose at least one dimension lies within the order of magnitude of 100 nm. The filler is dispersed within the polymer matrix. The integration of the reinforcement with a polymer enhances the properties of the macroscopic material. The main reinforcement materials are nanofibers, nanoparticles and nanorods. The most important techniques for the production of such materials are in situ polymerization, solution blending and melt mixing. The metal nanoparticles, the double layered hydroxides, the clay nanoparticles, carbon nanotubes and several species of graphite such as the exfoliated graphite and the exfoliated graphite nanoplateletes, are included in the reinforcement materials. The polymer nanocomposites are divided into three categories based on the dispersion of the reinforcement: the intercalated, the exfoliated and the immiscible nanocomposites. The most widely used polymers in the industry of polymer nanocomposites are polyolefins. These polymers have many applications in the automotive industry for the production of components. They are used as packaging materials, in the production of laboratory equipment and as reusable containers. The nanofillers used in these polymer nanocomposites enhance the mechanical and the thermal properties. They also improve gas barrier properties. The concentration of the reinforcement must lie within a certain range in order the improvement to be tangible. Another class of polymers used for the production of polymer nanocomposites are polyamides. These materials are used for the production of engineering plastics, and in the military industry. They substitute for the metal parts due to their superior mechanical properties compared to their weight. The incorporation of carbon nanoparticles improves drastically the Young’s modulus and the yield strength. The nanocomposites that have a matrix of nylon exhibit high heat distortion temperature and concomitantly excellent dimensional stability. The last class of polymer nanocomposites that are of great significance are the those which matrix consists of PET. This polymer is used mainly in the packaging industry, for textile applications as the main component of fabric, and in the automotive industry as an engineering plastic. One of the merits of this polymer is its ability to be recycled after its life cycle in a product. The nanocomposites which are based on PET are used for the production of films as well. The main species used for the synthesis of these nanocomposites are metal nanoparticles, clay nanoparticles and carbon nanotubes. The organically modified clay in the form of nanoparticles is very effective in improving the mechanical and thermal properties. The aforementioned reinforcement enhances the gas barrier properties and flame retardancy.