Μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων και κινητική των μετασχηματισμών του Πολυαμιδίου 6 (PA6) και του νανοσύνθετου PA6 ενισχυμένου με νανοσωλήνες άνθρακα
Creators: name: Τσεβρεντζή, Ελένη Παντελεήμωνος
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Πολυαμίδιο 6
Νανοσωλήνες άνθρακα
Θερμικές ιδιότητες
Polyamide 6
Carbon Nanotubes
Thermal properties

description: Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων του πολυαμίδιου 6 (PΑ6) κοινώς γνωστό και ως Nylon 6. Το PA6 με χημικό τύπο (C6H11NO)n παράγεται με την μέθοδο πολυμερισμού διάνοιξης δακτυλίου από μονομερή του κυκλικού αμιδίου της καπρολακτάμης. Το PA6 παρουσιάζει υψηλή αντοχή στον εφελκυσμό, σε μεγάλα μηχανικά φορτία και πολύ υψηλό φορτίο πρόσκρουσης, ενώ χαρακτηρίζεται από υψηλή επιφανειακή σκληρότητα και αντοχή στην τριβή. Λόγω των παραπάνω ιδιοτήτων βρίσκει εφαρμογές σε ρόδες, κοχλίες, οδοντωτούς τροχούς, εξαρτήματα απορρόφησης κραδασμών, ενώ όταν βρίσκεται σε μορφή νανο-υφάσματος μπορεί να ενσωματωθεί σε συστήματα ελασματοποιημένων σύνθετων υλικών με στόχο της αποφυγή αποκόλλησης και την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων του συστήματος. Για την βελτίωση επιθυμητών ιδιοτήτων των πολυμερών με στόχο την βελτιστοποίηση της απόδοσης της εφαρμογής τους, εισάγονται σε πολυμερικές μήτρες, μικρές ποσότητες πρόσθετων υλικών με διαστάσεις στη νανοκλίμακα. Τέτοια υλικά μπορεί να είναι, μεταλλικά ή κεραμικά νανοσωματίδια, νανοδομές άνθρακα (γραφένιο, οξείδιο του γραφενίου, νανοσωλήνες άνθρακα κλπ.) κ.α. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν μια διαδεδομένη επιλογή ως ενισχυτικό νανοπρόσθετο λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους, όπως οι ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες καθώς και η υψηλή τους θερμική αγωγιμότητα. Για το λόγο αυτό συντέθηκαν PA6 υλικά σε μορφή νανο-υφάσματος (nanofabric) με την μέθοδο της ηλεκτροϊνοποίησης (electrospinning), όπου ως ενισχυτικό πρόσθετο χρησιμοποιήθηκαν οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) σε συγκέντρωση 0.035 % κ.β. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων των παραγόμενων υλικών. Συγκεκριμένα, μελετάται η επίδραση των CNTs στην θερμική σταθερότητα της πολυμερικής μήτρας με την μέθοδο της Θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA), ενώ η μελέτη των φαινομένων τήξης και κρυστάλλωσης του καθαρού και νανοσύνθετου PA6 πραγματοποιείται με μετρήσεις Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Οι μεταβολές της κρυσταλλικής δομής της πολυμερικής μήτρας ανάλογα με την θερμική επεξεργασία της, και η επίδραση των CNTs σε αυτήν μελετώνται με τις μεθόδους DSC και Φασματοσκοπίας Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier με Αποσβένουσα Ολική Ανάκλαση (FTIR-ATR). Η μελέτη της επίδρασης των πρόσθετων στις δομικές και θερμικές ιδιότητες μιας πολυμερικής μήτρας αποτελεί ένα σημαντικό τμήμα της παραγωγικής διαδικασίας του τελικού επιθυμητού υλικού καθώς καθορίζει τον τρόπο επεξεργασίας του και το εύρος των εφαρμογών στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
description: The present work focuses on the study of the physical properties of polyamide 6 (PA6) commonly known as Nylon 6. PA6 with chemical formula (C6H11NO)n is produced by the ring-opening polymerization method from monomers of caprolactam cyclic amide. PA6 exhibits high strength in tensile stress, high mechanical loads, and very high impact load, and is characterized by high surface hardness and abrasion resistance. Due to the above properties, it finds applications in wheels, bolts, gears, and shock-absorbing components, and when in the nano-fabric form it can be incorporated into laminated composite systems to avoid delamination and enhance the mechanical properties of the system. To improve desired properties of polymers in order to optimize the performance of their application, small amounts of filler materials in the nanoscale are introduced into the polymer matrix. Such materials may be, metal or ceramic nanoparticles, carbon nanostructures (graphene, graphene oxide, carbon nanotubes, etc.), etc. Carbon nanotubes are commonly used as a reinforcing nano-additive due to their excellent properties such as electrical and mechanical properties as well as their high thermal conductivity. Therefore, PA6 materials in nano-fabric form were synthesized by the electrospinning method, where carbon nanotubes (CNTs) at a concentration of 0.035 % wt. were used as a reinforcing filler. The aim of the present work is to study the thermal properties of the produced materials. Specifically, the effect of CNTs on the thermal stability of the polymer matrix is studied by the Thermogravimetric Analysis (TGA) method, while the study of the melting and crystallization phenomena of neat and nanocomposite PA6 is carried out by the Differential Scanning Calorimetry (DSC) technique. The changes in the crystalline structure of the polymer matrix depending on its heat treatment, and the effect of CNTs on it is studied by DSC and Attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR-ATR). The study of the effect of additives on the structural and thermal properties of a polymer matrix is an important part of the production process of the final desired material as it determines how it is processed and the range of applications in which it can be used.