Μοντελοποίηση της οξειδωτικής θερμικής επεξεργασίας ινών πολυακρυλονιτριλίου προς παραγωγή βέλτιστων σταθεροποιημένων ινών

Κωνσταντόπουλος, Γεώργιος; Konstantopoulos, Georgios

dc.contributor.author	Κωνσταντόπουλος, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Konstantopoulos, Georgios	en
dc.date.accessioned	2017-12-18T11:29:05Z
dc.date.available	2017-12-18T11:29:05Z
dc.date.issued	2017-12-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46114
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14028
dc.rights	Default License
dc.subject	ίνες	el
dc.subject	Σταθεροποίηση	el
dc.subject	Ίνες άνθρακα	el
dc.subject	Κυκλοποίηση	el
dc.subject	Χαρακτηρισμός	el
dc.subject	Fibers	en
dc.subject	Stabilization	el
dc.subject	Carbon fiber	el
dc.subject	Cyclization	el
dc.subject	Characterization	el
dc.title	Μοντελοποίηση της οξειδωτικής θερμικής επεξεργασίας ινών πολυακρυλονιτριλίου προς παραγωγή βέλτιστων σταθεροποιημένων ινών	el
dc.title	Modelling of thermal oxidative stabilization of polyacrylonitrile fibers to produce optimized stabilized fibers	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ-ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ	el
heal.classification	ΧΗΜΕΙΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΩΝ	el
heal.classification	ΧΗΜΕΙΑ ΥΛΙΚΩΝ	el
heal.classification	ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ	el
heal.classification	ΣΥΝΘΕΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ	el
heal.classification	ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΝΘΡΑΚΑ	el
heal.classification	ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕIA	el
heal.classification	ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/5738c0928a7ee926f734d400a874d150cafa2aa2
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/417d179a4f3241a4606707a9e09e76d7e1110ac3
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/f6f8ec8cee0642425740179c78f2bf7d0a6572f1
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/4857f7ab26a40fd67e9568abb8b3e5cae80ef62c
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/cf5280ab222377e16d74158d8460f233b8c3e6df
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/f4bf1fe80b19d698ec0f5597a7eaad5c91b551d9
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/58f70331057f9c67dd70586c1e5324a27f0fdf6e
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/c7301e925a2837b1aba7035920723a45d112f866
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-09-29
heal.abstract	The diploma thesis is focused on the development of a universal model that describes the oxidative thermal stabilization of polyacrylonitrile (PAN) fibers at various temperature-stress-dwelling time conditions. The main target is the description of subsequent phenomena during stabilization process, namely entropic shrinkage, creep elongation, and chemical shrinkage, by measuring shrinkage during stabilization. Briefly, entropic shrinkage is a physical phenomenon occurring early in stabilization process, due to entropic repulsive forces, and is estimated throughout all stabilization conditions. Contrary to entropic shrinkage, creep is the physical phenomenon which is responsible for elongation during stabilization, and is simulated through an equation based on Eyring’s model of thermoplastic polymers solid-flow state. Finally, chemical shrinkage is induced chemically, and is the outcome of cyclization reaction of nitrile groups, which is the dominant factor of shrinkage. This model is destinated to be used in process design and manipulation of stabilization with impact in either batch or continuous plants through simple relations. Oxidation of PAN fibers is pronounced as the determining and complex step in the scope of chemical reactions in high quality carbon fiber synthesis. Model’s credibility is then evaluated along with characterization techniques.The produced fibers are characterized through Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and tensile testing for the estimation of stabilization effect on their chemical, morphological, and mechanical properties, respectively. Moreover, through thermal analysis characterization techniques such as Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), and Differential Thermogravimetry (DTG), the progress of stabilization and cyclization reactions is evaluated seperatedly, while kinetics of cyclization reaction are obtained via DSC. The Optical Microscopy (ΟΜ) Images are used in the investigation of circularity alteration in the cross-section of PAN fibers during stabilization process. The model described efficiently stabilization behaviour of PAN fibers. FT-IR spectra amd DSC are used to estimate Cyclization Index (CI), and the results are in accordance to the model in the high temperature region. The deterioration of mechanical properties after stabilization is related to structural transformations. An improvement in mechanical properties was presented when higher applied loads were used, while only below 220oC a stabilization process could provide fibers with enhanced properties compared to the commercial fiber.	en
heal.abstract	Σκοπός της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη ενός μοντέλου για την οξειδωτική θερμική σταθεροποίηση ινών πολυακριλονιτριλίου (ΡΑΝ), στο εύρος θερμοκρασιών, ασκούμενων τάσεων και χρόνου της διεργασίας. Κύριος στόχος είναι η μελέτη των επιμέρους φαινομένων, δηλαδή, της εντροπικής συρρίκνωσης, του ερπυσμού και της χημικής συρρίκνωσης κατά την χρονική εξέλιξη της σταθεροποίησης, μέσω της μεταβολής μήκους. Συνοπτικά, η εντροπική συρρίκνωση είναι ένα φυσικό φαινόμενο που πραγματοποιείται ταχέως με την έναρξη της σταθεροποίησης, λόγω των δυνάμεων εντροπικής ανάκτησης και προσδιορίζεται σε όλες τις συνθήκες σταθεροποίησης. Σε αντίθεση με την εντροπική συρρίκνωση, ο ερπυσμός είναι το φυσικό φαινόμενο που οδηγεί σε επιμήκυνση της ίνας κατά την σταθεροποίηση και προσεγγίστηκε με βάση το μοντέλο Eyring για τη ροή θερμοπλαστικών στερεών. Τέλος, η χημική συρρίκνωση υπεισέρχεται με χημικούς μετασχηματισμούς στη δομή των ινών πολυακρυλονιτριλίου και είναι αποτέλεσμα της αντίδρασης κυκλοποίησης των νιτριλομάδων, την κυρίαρχη χημική αντίδραση που συνεισφέρει στον μηχανισμό της συρρίκνωσης. Το μοντέλο περιγράφει με απλό τρόπο τη συμπεριφορά των ινών ΡΑΝ κατά το πολύπλοκο, λόγω του πλήθους των χημικών αντιδράσεων, στάδιο σταθεροποίησης και θα έχει συνεισφορά στο σχεδιασμό και στον έλεγχο διεργασιών σταθεροποίησης διαλείποντος και συνεχούς έργου. Η οξείδωση των ακρυλικών ινών αποτελεί σημαντικό στάδιο για την προετοιμασία κατάλληλων προς πυρόλυση ινών για την σύνθεση ινών άνθρακα με βελτιωμένες ιδιότητες. H αξιολόγηση του μοντέλου πραγματοποιείται και σε συνδιασμό με τις τεχνικές χαρακτηρισμού. Οι συντιθέμενες ίνες χαρακτηρίζονται με Φασματοσκοπία Υπερύθρου με Μετασχηματισμό Fourier (FT-IR), με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) και δοκιμή εφελκυσμού ως προς το μετασχηματισμό της χημικής δομής, της μορφολογίας και τις μηχανικές ιδιότητες, αντίστοιχα. Aκόμη, από τις θερμικές τεχνικές χαρακτηρισμού, Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC), Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TGA) και Διαφορική Θερμική Ανάλυση (DTG), λαμβάνεται πληροφορία για την πρόοδο της σταθεροποίησης και της κυκλοποίησης, καθώς και δεδομένα κινητικής που περιγράφουν την αντίδραση της κυκλοποίησης. Μέσω Οπτικής Μικροσκοπίας (ΟΜ) πραγματοποιείται μελέτη του μετασχηματισμού της διατομής των ινών ΡΑΝ κατά τη σταθεροποίηση. To γενικευμένο μοντέλο έδειξε καλή απόκριση στη περιγραφή της συμπεριφοράς των ινών ΡΑΝ κατά τη σταθεροποίηση. Με FT-IR και DSC ποσοτικοποιείται η κατανάλωση των νιτριλομάδων μέσω του δείκτη κυκλοποίησης (CI), με αποτελέσματα που είναι σε συμφωνία με τα αντίστοιχα του μοντέλου της σταθεροποιήσης των ινών ΡΑΝ για υψηλές θερμοκρασίες. H μείωση στις μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με της αρχικής ίνας ΡΑΝ συσχετίστηκε με τους μετασχηματισμούς της χημικής δομής. Μελετήθηκε η επίδραση της αύξησης της ασκούμενης τάσης, που οδηγεί σε αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων, ενώ βελτίωση στις μηχανικές ιδιότητες μπορεί να επιτευχθεί με σταθεροποίηση κάτω από τους 220οC.	el
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	101 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true