Φασματοσκοπική μελέτη Raman ινών Κevlar σε υψηλές υδροστατικές πιέσεις
Creators: name: Κανούλας, Αθανάσιος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Φασματοσκοπία Raman
Aραμιδικές ίνες
Υψηλή πίεση
Raman Spectroscopy
High Pressure
Αramide fibres

description: Το Kevlar-119 {πολυ-(π-φαινυλενo-τερεφθαλαμίδιο), PPTA} είναι ένα πολύ ελαφρύ πολυμερές και υπάγεται στην κατηγορία των αραμιδικών ινών με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Λόγω του υψηλού μέτρου ελαστικότητας, αλλά και της αντοχής του σε εφελκυσμό, χρησιμοποιείται εκτεταμένα σε εφαρμογές, όπως ίνες μέσα σε σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, σε διαστημικές στολές αλλά και σε οπτικές ίνες. Γενικότερα, χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που σχετίζονται με τη βαλλιστική (αλεξίσφαιρα γιλέκα), σε κράνη, σε διάφορα καλώδια και σχοινιά, στην αυτοκινητοβιομηχανία κ.α. Η μοριακή δομή του Κevlar αποτελείται από πολυμερικές αλυσίδες, όπου αμιδικές ομάδες συνδέονται άμεσα με δύο αρωματικούς δακτυλίους. Οι μακριές αυτές αλυσίδες είναι ισχυρά προσανατολισμένες και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου, ενώ υπάρχουν και αλληλεπιδράσεις αρωματικών δακτυλίων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκε η απόκριση του Kevlar-119 στην επίδραση υψηλής υδροστατικής πίεσης έως τα ~5 GPa. Για την επίτευξη των υψηλών υδροστατικών πιέσεων χρησιμοποιήθηκε κυψελίδα άκμονος διαμαντιού με γλυκερόλη ως μέσο μετάδοσης της πίεσης, η εκτίμηση της οποίας πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της φωτοφωταύγειας του ρουμπινιού. Με την αύξηση της πίεσης, η πλειοψηφία των παρατηρηθέντων κορυφών Raman μετατοπίζεται αντιστρεπτά προς υψηλότερες συχνότητες. Η χαμηλότερης συχνότητας κορυφή, στους 155 cm-1, παρουσιάζει σημαντική ελάττωση της έντασής της καθώς και μη γραμμική απόκριση στην υδροστατική πίεση, έχοντας αρχική κλίση πολύ μεγαλύτερη από των υπολοίπων κορυφών, γεγονότα που παραπέμπουν σε εξωτερικό τρόπο δόνησης του συστήματος (μεταξύ των πολυμερών αλυσίδων). Επιπλέον, η κορυφή στους 1647 cm-1, που αποδίδεται κυρίως σε εκτάσεις του δεσμού C=O (αμίδιο I), παρουσιάζει αρχικά μικρή αρνητική κλίση στην εφαρμογή της υδροστατικής πίεσης (-0.9 cm-1/GPa έως τα ~0.8 GPa). Το φαινόμενο αποδίδεται στην αύξηση της ισχύος του σχετιζόμενου δεσμού υδρογόνου σε βάρος του δεσμού C=O. Όλες οι μεταβολές που παρατηρήθηκαν κατά την αύξηση της πίεσης έως τα 5 GPa είναι πλήρως αντιστρεπτές κατά την ελάττωσή της.
description: Kevlar-119 {poly-(p-phenylene-terephthalamide), PPTA} is a lightweight polymer with unique mechanical properties. Due to its high tensile strength and modulus it has a wide range of applications such as aramid fiber in composite materials, space suits and fiber optic cables. In general, it is used in ballistic applications, ropes and cables, protective apparel, vehicular armoring and plates, automobiles etc. The molecular structure of Kevlar consists of polymeric chains in which amide groups are attached directly between two aromatic rings. The long chains are highly oriented with interchain hydrogen bonds and aromatic stacking interactions stabilizing the structure. In this work, Raman spectroscopy has been used to study the effects of high hydrostatic pressure on Kevlar-119 up to 5 GPa. Pressure was generated in a diamond anvil cell with glycerol as pressure transmitting medium and calibrated using the ruby fluorescence technique. With increasing pressure, the majority of the Raman peaks shift to higher frequencies. The lowest frequency Raman peak (~155 cm-1) exhibits a strong intensity attenuation and a sublinear pressure response with initial slope higher than that of the rest of the peaks, implying that it could be assigned to an external, interchain, mode of the system (between the polymeric chains). The highest Raman peak at 1647 cm-1, attributed mainly to the C=O (amide I) stretching vibration, displays a negative pressure slope under hydrostatic pressure (-0.9 cm-1/GPa up to ~0.8 GPa). It is attributed to the strengthening of the related hydrogen bond at the expense of the C=O bond. All the observed changes up to the maximum pressure of 5 GPa attained in the experiment are reversible upon pressure decrease.