Σύνθετα υλικά θερμοσκληρυνόμενων ρητίνων με περλίτη και ενυσχυμένων με ίνες άνθρακα ως θερμομονωτικών υλικών υψηλών θερμοκρασιών

Σουπιωνής, Γεώργιος; Soupionis, Georgios

dc.contributor.author	Σουπιωνής, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Soupionis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2017-07-13T06:03:58Z
dc.date.available	2017-07-13T06:03:58Z
dc.date.issued	2017-07-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45174
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7137
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	en
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Φαινολικές ρητίνες	el
dc.subject	Ίνες άνθρακα	el
dc.subject	Θερμοανθεκτικά υλικά	el
dc.subject	Θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες	el
dc.subject	Composite materials	en
dc.subject	Phenolic resins	en
dc.title	Σύνθετα υλικά θερμοσκληρυνόμενων ρητίνων με περλίτη και ενυσχυμένων με ίνες άνθρακα ως θερμομονωτικών υλικών υψηλών θερμοκρασιών	el
dc.title	Composite materials thermosetting resins with perlite and reinforced with carbon fibers as material for insulations in high temperatures	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ	el
heal.classification	MATERIAL SCIENCE	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-06-30
heal.abstract	Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται συνήθως από μήτρα ενός θερμοσκληρυνόμενου πολυμερούς ενισχυμένου με κατάλληλες ίνες. Στα σύνθετα υλικά συμβατικής τεχνολογίας (ναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, κατασκευαστικός τομέας κλπ.), συνήθως ίνες υάλου λόγω της χαμηλής τιμής τους. Δεδομένου ότι οι ίνες υάλου, αν και έχουν υψηλή αντοχή εφελκυσμού, έχουν όμως χαμηλό μέτρο ελαστικότητας και για αυτό οι ίνες άνθρακα ή οι (πολυ)αραμιδικές ίνες χρησιμοποιούνται για κατασκευές μεγαλύτερων μηχανικών απαιτήσεων (π.χ. αεροδιαστημική, αεροναυπηγική, αυτοκινητο-βιομηχανία σε τμήματα υψηλών μηχανικών απαιτήσεων, αθλητικά είδη κλπ.). Η ικανοποίηση των απαιτήσεων της σύγχρονης τεχνολογίας οδηγεί στην ανάγκη νέων υλικών, τα οποία ταυτόχρονα με την χαμηλή πυκνότητα, τις υψηλές τιμές μηχανικών ιδιοτήτων (όπως αντοχή σε κάμψη και αντοχή σε διάτμηση) πρέπει να συνδυάζουν και καλές θερμικές ιδιότητες, όπως θερμοανθεκτικότητα, μονωτικές ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες κλπ. Σε αυτό το πλαίσιο εντάσσεται η παρούσα εργασία και για αυτό το σκοπό επιλέγονται κατ’αρχήν θερμοανθεκτικά συστατικά του συνθέτου υλικού και συγκεκριμένα: α) ρητίνη φαινόλης-φορμαλδεΰδης περίπτωση ρεζόλης ως μήτρα, β) ίνες άνθρακα ως μέσον ενισχύσεως και γ) περλίτης ως συστατικό με χαμηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Δεδομένου ότι η ρεζόλη σκληρύνεται και μορφοποιείται από υγρή φάση, για λόγους σύγκρισης σχετικά με την σκλήρυνση, κατασκευάστηκαν και δοκίμια με την αντίστοιχη ρητίνη φαινόλης-φορμαλδεΰδης / περίπτωση νεολάκης, η οποία σκληρύνεται και μορφοποιείται από στερεή φάση. Αρχικά γίνεται πολυμερισμός φαινόλης – φορμαλδεΰδης με όξινο καταλύτη και παρασκευάζεται ρητίνη νεολάκης. Αντίστοιχα γίνεται πολυμερισμος με βασικό καταλύτη και παρασκευάζεται ρητίνη ρεζόλης. Με βάση την μέτρηση του % ποσοστού της ελεύθερης φορμαλδεΰδης για τον τελικό χρόνο πολυμερισμού προσδιορίστηκε η μετατροπή για την παραγωγή νεολάκης ως 95% για συνολικό χρόνο πολυμερισμού t = 2,25 h (135 min) και την παραγωγή ρεζόλης ως 77% για συνολικό χρόνο πολυμερισμού t = 6,18 h (370 min). 2 Ακολούθως με βάση την μέθοδο προδιαπότισης (pre-preg) κατασκευάστηκαν με χύτευση σύνθετα υλικά με μήτρα ρεζόλη και ίνες άνθρακα (7,5% κ.ο.) και περλίτη (10% κ.β.) και σύνθετα υλικά με μήτρα νεολάκη και ίνες άνθρακα (3,5%, 7,5% κ.ο.) με θερμομόρφωση σε πρέσσα. Αυτά τα σύνθετα υλικά μελετήθηκαν με διάφορες μεθόδους, τα αποτελέσματα των οποίων παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω. Η αντικατάσταση μιας ποσότητας της μήτρας ρεζίτη (δηλαδή στην σκληρυμένη ρεζόλη) με περλίτη (10% κ.β.) οδηγεί σε χαμηλότερη πυκνότητα του συνθέτου υλικού, επειδή η πυκνότητα του περλίτη είναι περίπου 10 φορές χαμηλότερη από αυτήν του ρεζίτη. Από τις φωτογραφίες της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) και της στοιχειακής ανάλυσης με Σύστημα Μικροανάλυσης (EDS) των δοκιμίων διαπιστώθηκε η παρουσία των μονοϊνών των ινών άνθρακα, με παράλληλη διάταξή τους, καθώς και η ομοιογενής επικάλυψή τους από τη μήτρα ρεζίτη. Για τα σύνθετα υλικά που περιλαμβάνουν περλίτη διαπιστώνεται από τη στοιχειακή ανάλυση η παρουσία των στοιχείων Na, Al, Si, τα οποία αποτελούν συστατικά του περλίτη. Η παρουσία οξυγόνου σε όλα τα δοκίμια των συνθέτων υλικών οφείλεται στο ΟΗ του φαινολικού δακτυλίου, καθώς επίσης και στην παρουσία τον προηγούμενων στοιχείων του περλίτη ως οξειδίων. Με βάση τις τιμές της αντοχής σε κάμψη και της αντοχής σε διάτμηση για αντίστοιχα σύνθετα υλικά διαπιστώνεται ότι η μήτρα από ρητίνη ρεζόλη δεν υστερεί από αυτή της νεολάκης. Η προσθήκη περλίτη 10% κ.β. στη μήτρα ρεζίτη, χωρίς ίνες άνθρακα, αυξάνει την αντοχή του υλικού σε κάμψη και σε διάτμηση. Προκειμένου για τα σύνθετα υλικά που περιέχουν ίνες άνθρακα διαπιστώνεται ότι η συμμετοχή του περλίτη μειώνει την αντοχή σε κάμψη και σε διάτμηση. Στο σύνθετο υλικό με ύφασμα (15,9% κ.ο.) παρατηρήθηκε μεγαλύτερη αντοχή στη διάτμηση σε σχέση με το σύνθετο υλικό που είναι ενισχυμένο με ίνες άνθρακα μίας κατεύθυνσης, ενώ η αντοχή σε κάμψη των δύο συνθέτων υλικών είναι παραπλήσια. Στα σύνθετα υλικά που περιέχουν περλίτη, ενισχυμένα με ίνες άνθρακα είτε ως ύφασμα είτε ίνες μίας κατεύθυνσης, η αντοχή σε κάμψη και σε διάτμηση είναι παραπλήσιες. Η θερμοανθεκτικότητα των συνθέτων υλικών και των επιμέρους συστατικών τους προσδιορίστηκε με θερμική επεξεργασία τους στους 200 οC για 5 ώρες. Την μικρότερη απώλεια βάρους εμφανίζουν οι ίνες άνθρακα, ο περλίτης και το σύνθετο υλικό σε αναλογία ρεζόλης-περλίτη 60-40 κ.β., με τιμή 1%. Η μήτρα ρεζίτη εμφανίζει την μεγαλύτερη απώλεια βάρους από όλα τα υλικά με τιμή 8.3%. Στα σύνθετα υλικά 3 με ίνες, τη μικρότερη απώλεια βάρους έχει αυτό που περιέχει και περλίτη, πράγμα το οποίο επιβεβαιώνει το σταθεροποιητικό ρόλο του περλίτη. H γραφική παράσταση της απώλειας βάρους του συνθέτου υλικού ρεζίτη με πρόσθετο περλίτη (χωρίς ίνες άνθρακα), συναρτήσει της περιεκτικότητας του ρεζίτη ακολουθεί εκθετική συνάρτηση, όπου για χαμηλό % ποσοστό κ.β. ρεζίτη (60% κ.β.) η παράμετρος χρόνος (t=1 έως 5 h) πρακτικά δεν επηρεάζει την απώλεια βάρους του υλικού. Το σύνθετο υλικό μήτρας ρεζίτη ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (7,5% κ.ο.) και περλίτη αποτελεί θερμοανθεκτικό υλικό (2% απώλεια βάρους). Ο προσδιορισμός του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας έγινε σε δοκίμια συνθέτων υλικών διαμέτρου 28 cm με μήτρα ρεζίτη και χρησιμοποίηση κοντών (chopped) ινών άνθρακα (7,5% κ.ο.) μήκους 3 mm και περλίτη (10% κ.β.), σε διάταξη ιδιοκατασκευής, σχεδιασμένη με βάση αντίστοιχο πρότυπο. Από την τιμή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ = 0.16 W/mK του συνθέτου υλικού διαπιστώθηκε ότι αυτή η τιμή ευρίσκεται περίπου στο μέσον μεταξύ των δύο κατηγοριών υλικών: θερμοσκληρυμένα και τυπικά αφρώδη θερμομονωτικά πολυμερή υλικά. Αυτό το σύνθετο υλικό συμπεριφέρεται, ως προς την θερμική αγωγιμότητα, ως ένα νέο υλικό σε σχέση με τα επιμέρους συστατικά του.	el
heal.abstract	Composite materials are mainly constituted of a thermosetting matrix reinforced with an appropriate fabric. Glass fibers are mainly used in conventional composite materials due to their low cost (shipbuilding, automotive industry, construction sector, etc.). Given the fact that glass fibers have high tensile strength but low elasticity modulus, carbon fibers and polyaramid fibers are used for demanding constructions and applications (e.g. aerospace industry, demanding engineering parts in the automotive industry, sport industry, etc.). Covering the contemporary technology demands leads to the development of novel, low density materials of high mechanical properties such as flexural and shearing strength that also combine good thermal properties such as heat resistance, thermal insulation in high temperatures, etc. The aim of this work is to contribute to this framework by choosing heat resistant components for the construction of composite materials, such as a) phenolformaldehyde resin; case of resol matrix; b) carbon fiber as reinforcement; and c) perlite with low thermal conductivity. As resole is cured and molded from liquid phase and for comparison reasons with the corresponding curing of novolac which takes place from solid phase, a number of novolac specimens were also constructed. Initially, phenol-formaldehyde polymerization takes place with an acid catalyst producing novolac resin. The polymerization of the same monomers takes place with a basic catalyst producing resol resin. Based on the determination of the percentage % of the free formaldehyde for the final polymerization duration, the conversion to novolac production was determined to be 95% for a total polymerization time of t = 2.25 hours (135 minutes) and to resol production was 77% for total polymerization time of t = 6.18 h (370 min). Based on the pre-preg method composite materials were molded using resol matrix, carbon fibers (7.5% v/v) and perlite (10 wt. %) and thermoformed using novolac matrix and carbon fibers (3.5%, 7.5% v/v) were also constructed. These composite materials were characterized by various techniques and their results are summarized below: 5 Replacing an ammount of the resite (i.e. cured resol) matrix with perlite (10% by weight) leads to a lower density composite material, as perlite density is about 10 times lower than that of the resite. The specimens photographs of Scanning Electronic Microscopy (SEM) and Elemental Microscopy Analysis (EDS) show the presence of parallel carbon fiber monofilaments, as well as their homogeneous coating by the resite matrix. The elemental analysis of composite materials containing perlite detects the presence of the elements Na, Al, Si (all three being constitutive components of the perlite). The presence of oxygen in all specimens is due to the phenolic ring OH, as well as to the presence of oxides of the previous perlite elements. Resite composite materials show flexural strength and shear strength values comparable to the ones of novolac composite materials. The addition of 10% w/w perlite in the resite matrix - without carbon fibers - improves flexural and shearing strength values of the composite materials. In the case of composite materials with carbon fibers it is found that the perlite addition reduces both flexural and shearing strength values. The composite material reinforced with fabric (15.9% v/v) showed greater shearing strength values compared to the corresponding composite material reinforced with one direction carbon fibers, while the flexural strength of the two composite materials were similar. Composite materials containing perlite, reinforced either with fabric or with one direction carbon fibers, showed similar flexural and shearing strength values. The heat resistance of the composite materials and their components was determined by their heat treatment at 200 °C for 5 hours. Carbon fibers, perlite and the composite material of resol-perlite with ratio 60-40 wt. exhibit the lowest weight loss at 1%. The resite matrix shows the highest weight loss of all materials at 8.3%. The composites with fiber reinforcement that exhibit the lowest weight loss are those that contain perlite, which confirms the stabilizing role of perlite. The graph of the weight loss as a function of the content of resite for the resite composite material containing perlite (without carbon fibers), is best described with an exponential function in which, for a low % weight ratio of resite (60 wt %), the weight loss of the composite is not effected by time (t = 1 to 5 h). The composite material reinforced with carbon fibers (7.5% v/v) and perlite is a heat-resistant material (2% weight loss). The thermal conductivity coefficient determination was conducted using 28 cm diameter resite composite material specimens containing chopped 3 mm long carbon 6 fibers (7.5% v/v) and perlite (10% by weight) in a self-constructed device designed according to the appropriate standards. The thermal conductivity coefficient value, λ = 0.16 W / mK of the composite material, was found to be between two categories: thermosetting materials and typically foamed heat insulating polymeric materials. In terms of thermal conductivity, this composite material behaves as a new material in respect to the corresponding behavior of its individual components.	en
heal.advisorName	Ζουμπουλάκη, Λουκάς	el
heal.advisorName	Σιμιτζής, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκη, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Σιμιτζής, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	156 σ.
heal.fullTextAvailability	true