Study of polymer/graphene nanocomposites
Creators: name: Κουρτίδου, Δήμητρα Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Πολυμερή
Νανοσύνθετα
Γραφένιο
Νανοπρόσθετα άνθρακα
Polymers
Nanocomposites
Graphene
Carbon nanofillers

description: Καθώς το συνεχές ενδιαφέρον για τα υλικά με βελτιωμένες ιδιότητες αυξάνεται εκ μέρους των επιστημονικών και βιομηχανικών κοινοτήτων, η ανάγκη για εκτεταμένη έρευνα σχετικά με τους ενισχυτικούς μηχανισμούς που εμφανίζονται στα νανοσύνθετα πολυμερών είναι ακόμη πιο σημαντική. Ο κύριος σκοπός αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση νανοσύνθετων πολυμερών/γραφενίου που βρίσκουν εφαρμογές στον τομέα της ενέργειας και της βιωσιμότητας και προωθούν τη βελτιστοποίηση των συστημάτων στα οποία χρησιμοποιούνται οι επιλεγμένες πολυμερικές μήτρες. Δύο πολυμερικές μήτρες με διαφορετικές μακρομοριακές δομές επιλέχθηκαν για αυτή τη διατριβή: το Διακλαδωμένο Πολυαιθυλένιο (SCB-PE) και τον Πολυφουρανοϊκό Αιθυλενεστέρα (PEF). Το SCB-PE, χαρακτηρίζεται από χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία είναι υψίστης σημασίας για τη μέγιστη απόδοση των συστημάτων σωληνώσεων ενδοδαπέδιας θέρμανσης/ψύξης των κτιριακών εγκαταστάσεων. Το PEF έχει αποκαλύψει τις πολλά υποσχόμενες δυνατότητές του, καθώς παρουσιάζει βελτιωμένες ιδιότητες φραγμού αερίου και μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με το PET, ενώ ταυτόχρονα είναι ανακυκλώσιμο. Ωστόσο, οι μακρομοριακές αλυσίδες πολυεστέρων με βάση το φουράνιο χαρακτηρίζονται από ακαμψία, προκαλώντας χαμηλή ικανότητα κρυστάλλωσης από το τήγμα. Ως εκ τούτου, ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση νανοσύνθετων υλικών SCB-PE και PEF χρησιμοποιώντας πρόσθετα ενισχυτικά άνθρακα, όπως νανοφυλλίδια γραφενίου (GNPs) και νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) και να μελετηθεί η επίδραση αυτών των πληρωτικών στις φυσικές ιδιότητες των πολυμερών μητρών. Οι διαφορετικές επιδράσεις των GNPs στις φυσικές ιδιότητες των δύο διαφορετικών πολυμερών μητρών διερευνώνται χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές φυσικοχημικού χαρακτηρισμού. Ταυτόχρονα, μελετάται εκτενώς η επίδραση της γεωμετρίας του νανοπρόσθετου άνθρακα (δύο έναντι μίας διάστασης) στις δομικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της μήτρας PEF. Τα νανοσύνθετα SCB-PE ενισχυμένα με GNPs τριών διαφορετικών διαμέτρων (5, 15 και 25 μm) σε διάφορες περιεκτικότητες (0, 0,5, 1, 2,5 και 5 % κ. β.) συντέθηκαν σε αυτή την εργασία χρησιμοποιώντας μια διαδικασία δύο σταδίων, την άλεση με σφαιρίδια ως μέθοδος προανάμιξης και στη συνέχεια την ανάμειξη τήγματος. Μελετάται η επίδραση της διαμέτρου και της συγκέντρωσης των GNPs στις μορφολογικές, δομικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της μήτρας. Τα νανοσύνθετα PEF συντέθηκαν με τη μέθοδο πολυσυμπύκνωσης τήγματος δύο σταδίων που περιείχε διάφορες περιεκτικότητες των GNPs και CNTs (0, 0,5, 1 και 2,5 wt. %). Παρασκευάστηκαν επίσης υβριδικά νανοσύνθετα PEF, που περιείχαν 0,25% κ.β. GNPs και διάφορες περιεκτικότητες σε CNTs (0,5, 1 και 2,5% κ.β.). Για τη λεπτομερή μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των νανοσύνθετων, χρησιμοποιήθηκαν διάφορες πειραματικές τεχνικές χαρακτηρισμού για να ληφθούν τα απαραίτητα αποτελέσματα. Πραγματοποιήθηκε ένας εκτενής μορφολογικός και δομικός χαρακτηρισμός των καθαρών πολυμερικών μητρών και των παρασκευασμένων νανοσύνθετων, ενώ διερευνήθηκε επίσης η συμπεριφορά κρυστάλλωσης και τήξης των νανοσύνθετων υλικών SCB-PE/GNP και PEF/πρόσθετων άνθρακα. Η επίδραση των πρόσθετων άνθρακα στη θερμική σταθερότητα των SCB-PE και PEF καθώς και ο μηχανισμός θερμικής αποικοδόμησης και των προϊόντων της μελετήθηκαν επίσης χρησιμοποιώντας τεχνικές θερμικής ανάλυσης. Υπολογίστηκε επίσης η θερμική αγωγιμότητα των νανοσύνθετων υλικών SCB-PE και τα θεωρητικά μοντέλα που προτάθηκαν για την πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας των σύνθετων υλικών εφαρμόστηκαν στα πειραματικά δεδομένα. Οι μηχανικές ιδιότητες των καθαρών πολυμερών και των νανοσύνθετων τους αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές μηχανικών δοκιμών για τη διερεύνηση των παραμέτρων που ελέγχουν την ενισχυτική επίδραση κάθε ενσωματωμένου πρόσθετου.
description: As the continuous interest in reinforced materials grows on behalf of the scientific and industrial communities, the need for extensive research on the reinforcing mechanisms occurring at polymer nanocomposites is even more relevant. This thesis's main purpose is to synthesize polymer/graphene nanocomposites that find applications in the energy section and sustainability and promote the optimization of the systems in which the selected polymer matrices are used. Two polymer matrices with different macromolecular structures were selected for this thesis: the Short-Chain Branched Polyethylene (SCB-PE) and Poly(ethylene 2,5-furandicarboxylate) (PEF). SCB-PE is characterized by low thermal conductivity, which is of utmost importance for the maximum efficiency of underfloor heating/cooling piping systems of building installations. PEF has revealed its promising potential since it presents improved gas barrier and mechanical properties compared to PET, being recyclable at the same time. However, furan-based polyesters' macromolecular chains are characterized by inflexibility, causing low crystallizability from the melt. Therefore, the main objective of this thesis is to synthesize SCB-PE and PEF nanocomposite materials using carbon reinforcing fillers, such as graphene nanoplatelets (GNPs) and carbon nanotubes (CNTs), and study the effect of these fillers on the polymer matrices' physical properties. The GNPs' different effects on the two different polymer matrices' physical properties are investigated using various physicochemical characterization techniques; at the same time, the influence of the carbon nanofiller's geometry on the structural, thermal, and mechanical properties of the PEF matrix is extensively studied. SCB-PE nanocomposites reinforced with GNPs of three different diameters (5, 15, and 25 μm) at various contents (0, 0.5, 1, 2.5, and 5 wt. %) were synthesized in this work using a two-step process, ball-milling as a premixing method and subsequently melt mixing. The effect of the GNPs' diameter and loading on the matrix's morphological, structural, thermal, and mechanical properties is studied. PEF nanocomposites were synthesized by the two-stage melt polycondensation method containing various GNPs and CNTs loadings (0, 0.5, 1, and 2.5 wt. %). Hybrid PEF nanocomposites were also prepared, containing 0.25 wt.% of GNPs and various contents of CNTs (0.5, 1, and 2.5 wt. %). For the detailed study of the nanocomposites' physical properties, several characterization experimental techniques were employed to obtain the necessary results. An extensive morphological and structural characterization of the neat polymer matrices and the prepared nanocomposites was conducted, while the crystallization and melting behavior of SCB-PE/GNPs and PEF/Carbon fillers nanocomposites was also investigated. The effect of the carbon fillers on the thermal stability of SCB-PE and PEF as well as their thermal decomposition mechanism and products were also studied using thermal analysis techniques. The thermal conductivity of SCB-PE nanocomposites was also calculated, and theoretical models proposed for the prediction of composites' thermal conductivity were applied to the experimental data. The mechanical properties of the neat polymers and their nanocomposites was evaluated using various mechanical testing techniques to investigate the parameters that control the reinforcing effect of each incorporated filler.