Μηχανικές και Ηλεκτρικές μετρήσεις για τον έλεγχο της φθοράς σε νανοσύνθετο πολυμερές PVDF

Abstract

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης του νανοσύνθετου πολυβινυλυδενο(δι)φθοριδίου (PVDF) με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs) ως αισθητήρα επιμήκυνσης σε μονοαξονικό εφελκυσμό. Στόχος της εργασίας είναι η διάγνωση της φθοράς του υλικού αξιοποιώντας την μεταβολή της ηλεκτρικής του αντίστασης λόγω επιβολής μονοαξονικής εφελκυστικής δύναμης. Το κάθε δοκίμιο υποβλήθηκε σε δοκιμή εφελκυσμού μέχρι την θραύση με ταυτόχρονη μέτρηση της μηχανικής τάσης, της διαμήκους παραμόρφωσης και της διαμήκους ηλεκτρικής του αντίστασης σε τρεις περιοχές μέτρησης κατά μήκος του λαιμού του δοκιμίου. Χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια με περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες άνθρακα από 1,25% έως 8% κ.β., τα οποία παράχθηκαν με την τεχνική της ανάμειξης τήγματος. Για την καλύτερη κατανόηση των ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων των δοκιμίων καθώς και για την μελέτη της επίδρασης των νανοσωλήνων άνθρακα στο πολυμερές, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές χαρακτηρισμού όπως η Διηλεκτρική Φασματοσκοπία Εναλλασσόμενου Πεδίου και η Δυναμική Μηχανική Ανάλυση. Η προσθήκη των νανοσωλήνων στην πολυμερική μήτρα διαπιστώθηκε ότι προσδίδει αγωγιμότητα στο νανοσύνθετο σε περιεκτικότητες από 1,2% κ.β. και πάνω ενώ δεν επηρεάζει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες του νανοσύνθετου. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει ότι υπάρχει συσχέτιση μεταξύ της σχετικής μεταβολής της αντίστασης (ΔR/Ro) του υλικού και της εντατικής του κατάστασης κατά τη διάρκεια της εφαρμογής εφελκυστικής δύναμης στο δοκίμιο μέχρι και τη θραύση του. Εφόσον, δηλαδή, είναι γνωστή η αρχική ηλεκτρική αντίσταση του υλικού Ro, μπορούμε να γνωρίζουμε την κατάσταση της «υγείας» του υλικού (την εντατική του κατάσταση) σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή μετρώντας την ηλεκτρική του αντίσταση. Επίσης παρατηρήθηκε μεγαλύτερη αύξηση της σχετικής μεταβολής της αντίστασης στην περιοχή της θραύσης, από ό,τι σε άλλες περιοχές μέτρησης. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι είναι δυνατόν να υπάρξει έγκαιρη προειδοποίηση της περιοχής όπου αναμένεται η θραύση του δοκιμίου. Μπορούμε να πούμε, δηλαδή, ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα, διεσπαρμένοι σε μια πολυμερική μήτρα όπως το PVDF έχουν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν ως ένα δίκτυο αισθητήρων για τον έλεγχο της εντατικής κατάστασης του υλικού και την πρόβλεψη της θραύσης του λόγω επιβολής εφελκυστικής δύναμης.

In this diploma thesis, conductive PVDF (PolyVinylidene(di)Fluoride)/MWCNT (Multi Wall Carbon Nanotubes) nanocomposites have been used for strain sensing under tensile loading. This was achieved by measuring the relative electrical resistance change (ΔR/Ro) of the sample during longitudinal deformation. Each dog bone shaped sample was subjected to tensile loading until fracture and the longitudinal strain was monitored together with the longitudinal electrical resistance in three regions along the sample’s neck. The samples were prepared by melt-mixing with varying filler content from 1,25wt% to 8wt%. In order to understand the mechanical and electrical properties of the nanocomposite, different material characterization techniques were used, such as Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The percolation threshold of the nanocomposite was found at 1,2wt% conductive filler content. The mechanical properties of the nanocomposite were found almost equal to the properties of the polymer matrix. The results showed that as strain changes, relative resistance change could be measured on site by suitable equipment to evaluate the strain or damage level and predict the imminent fracture. It is well established that carbon nanotubes dispersed in an insulating polymer matrix, such as PVDF, have the potential to be used as a sensitive network to monitor or predict the damage in polymer/carbon nanotube nanocomposites by measuring the electrical resistance change (ΔR/Ro) of the sample.