Ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών με ιδιότητες αυτό-διάγνωσης και αυτό-ίασης για χρήση σε τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής

Λούρα, Νίκη; Loura, Niki

dc.contributor.author	Λούρα, Νίκη	el
dc.contributor.author	Loura, Niki	en
dc.date.accessioned	2021-11-24T10:19:31Z
dc.date.available	2021-11-24T10:19:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54098
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21796
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	Νανοσωλήνες άνθρακα	el
dc.subject	Carbon nanotubes	en
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Εκβολή	el
dc.subject	Extrusion	en
dc.subject	Τριδιάστατη εκτύπωση	el
dc.subject	3D printing	en
dc.subject	Νανοσύνθετα	el
dc.subject	Nanocomposites	en
dc.title	Ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών με ιδιότητες αυτό-διάγνωσης και αυτό-ίασης για χρήση σε τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σύνθετα υλικά	el
heal.classification	Νανοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-10-07
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκε η σύνθεση νανοϋλικών άνθρακα και η ενσωμάτωση τους σε πολυμερικές μήτρες για την παραγωγή νημάτων σταθερής διατομής με τελική εφαρμογή τη χρήση τους σε τριδιάστατη (3D) εκτύπωση. Στόχος της προκείμενης έρευνας αποτελεί η μελέτη της επίδρασης των νανοϋλικών άνθρακα στη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα των νανοσύνθετων νημάτων και η αξιολόγηση της ικανότητας αυτό-ίασης και αυτό-διάγνωσης. Η σύνθεση των νανοϋλικών εστιάστηκε στην παραγωγή ικανών ποσοτήτων νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) και παραγώγων γραφενίου, μέσα ενίσχυσης που είναι γνωστά για τις αξιοσημείωτες ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες τους. Ειδικότερα, παράχθηκαν δύο είδη νανοσωλήνων άνθρακα μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών (υψηλής καθαρότητας και χαμηλότερης ποιότητας), καθώς επίσης και γραφένιο από χημική και ηλεκτροχημική διεργασία, που μετέπειτα χαρακτηριστήκαν με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM), Φασματοσκοπία Διασποράς Ακτίνων Χ (EDX), Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD) και Φασματοσκοπία Raman (RAMAN). Έμφαση δόθηκε στην ανακλιμάκωση της παραγωγής των υλικών, για τη χρήση τους σε διεργασία εκβολής, ως μέθοδο ανάμειξης και παραγωγής νημάτων, η οποία αποτελεί διεργασία ημι-βιομηχανικής κλίμακας. Ως πολυμερικές μήτρες επιλέχθηκαν η θερμοπλαστική πολυουρεθάνη (TPU) και το πολυαμίδιο 12 (PA12). Προκειμένου να αξιολογηθούν και να συγκριθούν οι ιδιότητες των νανοσύνθετων πολυμερικών μιγμάτων που παρασκευάστηκαν, πραγματοποιήθηκε σύγκριση με εμπορικά πολυμερικά νανοσύνθετα. Επιπλέον, εξετάστηκαν τόσο πρωτογενείς πολυμερικές μήτρες όσο και ανακυκλωμένες. Αντίστοιχα, για λόγους σύγκρισης και αποτίμησης των ιδιοτήτων των νανοσύνθετων που παράχθηκαν, εξετάστηκαν διαθέσιμα εμπορικά νανοσύνθετα υλικά ενισχυμένα με CNTs και νανοσύνθετα που παρασκευάστηκαν με εμπορικά CNTs. Για όλα τα παραπάνω νανοσύνθετα προετοιμάστηκαν δείγματα σε περιεκτικότητες του προσθέτου 1 – 5 – 10 – 15% κ.β. που προέκυψαν από αραίωση ενός κύριου μίγματος με περιεκτικότητα 20% κ.β. για το κάθε πρόσθετο. Στόχος της διεργασίας της εκβολής ήταν η παραγωγή νημάτων σταθερής διαμέτρου (1,75 ± 0,10 mm), δηλαδή υλικού ικανού να αποτελέσει πρώτη ύλη κατασκευής ελεύθερης μορφής νημάτων (Fused deposition modeling - FDM). Χρησιμοποιήθηκε αυτοσχέδιος εκτυπωτής τριδιάστατης εκτύπωσης, τύπου PRUSA για την κατασκευή ζεύγους κυκλικών δοκιμίων διαμέτρου 25mm και πάχους 5mm. Στην συνέχεια, τα εκτυπωμένα δοκίμια μελετήθηκαν ως προς τη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα τους. Τα νανοσύνθετα (TPU και PA12) με 10% και 15% κ.β. περιεκτικότητας CNTs (εμπορικών και εργαστηριακών) εμφάνισαν διπλάσια τιμή θερμικής αγωγιμότητας από τα δείγματα αναφοράς (χωρίς την προσθήκη νανοδομών άνθρακα). Αντιθέτως, τα νανοσύνθετα με ενισχυτικά παραγώγων γραφενίου εμφάνισαν μικρές μόνο βελτιώσεις στη θερμική αγωγιμότητα. Για την αποτίμηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, συμπληρωματικά με την μέθοδο two-wire πραγματοποιήθηκε και ανάλυση μέσω Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Εναλλασσόμενου Πεδίου (DRS), για να εξαχθούν πιο αντιπροσωπευτικά συμπεράσματα. Ειδικότερα, τα εκτυπωμένα δοκίμια της υψηλότερης περιεκτικότητας (15% κ.β) προετοιμάστηκαν κατάλληλα και αναλύθηκαν με DRS. Παράλληλα, για την εξέταση της επίδρασης του τρόπου κατασκευής μέσω 3D εκτύπωσης στην ηλεκτρική αγωγιμότητα, παρασκευάστηκαν κυκλικά δοκίμια μέσω έγχυσης σε καλούπι που αναλύθηκαν επίσης με DRS. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων DRS προέκυψε ότι τη μεγαλύτερη τιμή ηλεκτρικής αγωγιμότητας εμφάνισε το νανοσύνθετο PA12 με 15% κ.β. CNTs. Καθώς τα δοκίμια που παρασκευάστηκαν μέσω έγχυσης σε καλούπι δεν εμφάνισαν υψηλότερες τιμές αγωγιμότητας από τα αντίστοιχα 3D εκτυπωμένα, αποδεικνύεται ότι η τιμή της μετρούμενης ηλεκτρικής αγωγιμότητας αποτελεί χαρακτηριστικό του νανοσύνθετου υλικού. Καθώς η ηλεκτρική αγωγιμότητα των νανοσύνθετων υλικών δεν ήταν επαρκής για να πραγματοποιηθούν ηλεκτρομηχανικές μετρήσεις, η παρούσα έρευνα δεν επεκτάθηκε στην εξέταση της ικανότητας αυτό-διάγνωσης, αλλά επικεντρώθηκε στην ικανότητα αυτό-ίασης των νανοσύνθετων υλικών σε μορφή ίνας. Η συγκεκριμένη ικανότητα εντοπίστηκε στις εμπορικές ίνες με βάση TPU και PA12 με 10% κ.β. CNTs. Με την πειραματική μέθοδο που εφαρμόστηκε και μέσω ανάλυσης SEM, φανερώθηκε η δυνατότητα του υλικού να μπορεί να επουλώσει εσωτερικές μικρορωγμές πάχους έως 20μm υπό την επιβολή διαφοράς δυναμικού. Η συνολική μελέτη κρίνεται ενδιαφέρουσα για περαιτέρω διερεύνηση, δίνοντας έμφαση στην επίδραση κάθε πειραματικού σταδίου της συνολικής διεργασίας, ώστε να είναι επιτυχής η ανάπτυξη ικανότητας αυτό-ίασης και αυτό-διάγνωσης, με τελικό στόχο την παραγωγή πολυλειτουργικών κατασκευών.	el
heal.abstract	In this thesis, the synthesis of carbon nanomaterials and their incorporation into polymer matrices for the production of filaments of fixed cross-section with final application in three-dimensional (3D) printing was studied. The scope of the present research is to investigate the effect of carbon nanomaterials on the thermal and electrical conductivity of nanocomposite filaments and to evaluate the self-healing and self-sensing capability. The synthesis of nanomaterials focused on the production of sufficient amounts of carbon nanotubes (CNTs) and graphene derivatives, additives known for their remarkable electrical and thermal properties. In particular, two types of carbon nanotubes were produced via chemical vapor deposition (high and low purity), as well as graphene by chemical and electrochemical processes, which were subsequently characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Scattering Spectroscopy (EDX), X-ray Diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy (RAMAN). Emphasis was placed on up-scaling the production of the materials in order to use them in melt-extrusion process as a method of mixing and filament production, which is a semi-industrial scale process. Thermoplastic polyurethane (TPU) and polyamide 12 (PA12) were selected as polymeric matrices. To evaluate and compare the properties of the prepared polymer nanocomposite mixtures, a comparison with commercial polymer nanocomposites was performed. In addition, primary polymer matrices as well as recycled were examined. Respectively, for the purposes of comparing and evaluating the properties of the produced nanocomposites, available commercial nanocomposites reinforced with CNTs and nanocomposites prepared with commercial CNTs were examined. For all of the above nanocomposites, samples were prepared at additive contents of 1 - 5 - 10 - 15% w/w, obtained by diluting a main mixture at 20% w/w for each additive. The aim of the melt-extrusion process was to produce filaments of a constant diameter (1,75 ± 0,10 mm), material capable of being a raw material for free-form Fused Deposition Modeling (FDM). A PRUSA type home-made 3D printer was used to fabricate a pair of circular specimens of 25 mm diameter and 5 mm thickness. The printed specimens were then studied for their thermal and electrical conductivity. The nanocomposites (TPU and PA12) with 10% and 15% wt. content of CNTs (commercial and laboratory) showed twice the thermal conductivity value of the reference samples (without the addition of carbon nanostructures). In contrast, nanocomposites with graphene fillers showed slight improvements in thermal conductivity. To evaluate the electrical conductivity, in addition to the two-wire method, the analysis of Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) was performed to draw more representative conclusions. In particular, the printed specimens of the highest content (15% w/w) were properly prepared and analyzed by DRS. Parallelly, to examine the effect of the 3D printing fabrication method on electrical conductivity, circular specimens were prepared by injection moulding and also analyzed by DRS. The results of the DRS measurements showed that the highest electrical conductivity value was exhibited by the PA12 nanocomposite with 15% w/w CNTs. As the samples prepared by injection moulding did not show higher conductivity values than their 3D printed counterparts, it is indicated that the measured electrical conductivity value is a characteristic of the nanocomposite material. As the electrical conductivity of the nanocomposites was not sufficient to perform electromechanical measurements, this research did not extend to examining the self-sensing ability, but focused on the self-healing ability of the nanocomposites in fiber form. This particular ability was identified in commercial TPU-based and PA12-based fibers with 10% w/w CNTs. By the experimental method applied and through SEM analysis, was revealed the ability of the material to be able to heal internal microcracks up to 20 µm thick under the application of potential difference. The overall study is considered interesting for further investigation, with more emphasis on the effect of each experimental stage of the overall process to successfully develop self-healing and self-sensing capability, with the ultimate goal of producing multifunctional structures.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντινός	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	130 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false