Παρασκευή και χαρακτηρισμός υβριδικών συνθέτων ελαστομερούς με γραφένιο και νανοσωλήνες άνθρακα

Τσάλας, Ιωάννης; Tsalas, Ioannis

dc.contributor.author	Τσάλας, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Tsalas, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2023-11-27T11:57:38Z
dc.date.available	2023-11-27T11:57:38Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58342
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26038
dc.rights	Default License
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Πολυμερή υλικά	el
dc.subject	Πολυδιμεθυλοσιλοξάνη	el
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Ναναοσωλήνες άνθρακα	el
dc.title	Παρασκευή και χαρακτηρισμός υβριδικών συνθέτων ελαστομερούς με γραφένιο και νανοσωλήνες άνθρακα	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Σύνθετα πολυμερή υλικά	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-05
heal.abstract	Ο σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ήταν η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός υβριδικών νανοσυνθέτων πολυδιμεθυλοσιλοξάνης (PDMS) ενισχυμένης με γραφένιο (GN) και νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs), ώστε να εκτιμηθεί η επίδραση της ταυτόχρονης παρουσίας των δύο αυτών μέσων ενίσχυσης στη μορφολογία και στις ιδιότητες των συνθέτων τους και να γίνει ο βέλτιστος σχεδιασμός σε συνάρτηση με την προοριζόμενη εφαρμογή. Η μέθοδος που επιλέχτηκε για την παρασκευή των συνθέτων ήταν η τεχνική διαλύματος με χρήση υπερήχων. Αρχικά εφαρμόζονται υπέρηχοι σε διασπορά των νανοεγκλεισμάτων σε τετραϋδροφουράνιο, ακολουθεί η προσθήκη στο αιώρημα της PDMS και η εκ νέου εφαρμογή υπερήχων για τη διάσπαση των συσσωματωμάτων ώστε να εξασφαλιστεί η όσο το δυνατόν ομοιογενής διασπορά τους στην ελαστομερική μήτρα. Από τη μελέτη της δομής των υβριδικών συνθέτων με τη μέθοδο της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) εντοπίσθηκε ευρεία κορυφή για 2θ~12ο προερχόμενη από την PDMS, της οποίας η θέση παραμένει σταθερή ενώ η έντασή της αυξάνει με την προσθήκη των εξεταζόμενων μέσων ενίσχυσης. Η συμπεριφορά αυτή συνδέθηκε με αύξηση της τάξης των μακρομορίων της ελαστομερικής μήτρας, η οποία πιθανόν να οφείλεται σε διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις που αναπτύχθηκαν με τα γραφιτικά νανοεγκλείσματα. Ο χημικός χαρακτηρισμός των υβριδικών συνθέτων GN-MWCNTs/PDMS με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), με την τεχνική της εξασθενημένης ολικής ανάκλασης (ATR), δεν έδωσε νέες κορυφές εκτός από αυτές της PDMS. Από τη μελέτη με φασματοσκοπία RAMAN των συνθέτων διαπιστώθηκε ότι η κατεργασία με υπερήχους καταπονεί σε κάποιο βαθμό το υλικό και επιφέρει αύξηση των ατελειών στη γραφιτική δομή των νανοεγκλεισμάτων, καθώς αυξάνει ο λόγος των εντάσεων των χαρακτηριστικών ζωνών D (1350 cm-1 ) και G (1580 cm-1 ) των φασμάτων τους (ΙD/IG). Η μελέτη των θερμικών μεταπτώσεων με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) έδειξε πως η ενσωμάτωση σε μικρές συγκεντρώσεις του γραφενίου και των νανοσωλήνων άνθρακα οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας κρυστάλλωσης Tc της PDMS, ενώ μείωση παρατηρείται για σύνθετα με υψηλή περιεκτικότητα μέσου ενίσχυσης και αυξημένη αναλογία σε MWCNTs (4phr 10-90 και 0-100 GN-MWCNTs). Η θερμοκρασία τήξης Tm του ελαστομερούς στα εξεταζόμενα σύνθετα δεν παρουσιάζει σημαντική διαφοροποίηση, σε σχέση με την μη-ενισχυμένη PDMS, με εξαίρεση αυτά που ενισχύθηκαν αποκλειστικά με γραφένιο όπου παρατηρείται τάση αύξησης των τιμών της. Ο χαρακτηρισμός των συνθέτων μέσω θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA) σε αδρανές περιβάλλον αζώτου, έδειξε πως με την προσθήκη γραφενίου και νανοσωλήνων άνθρακα βελτιώνεται σημαντικά η θερμική σταθερότητα των συνθέτων της PDMS, καθώς η αποδόμηση λαμβάνει χώρα σε μεγαλύτερο θερμοκρασιακό εύρος και μετατοπίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Τη βέλτιστη θερμική αντοχή παρουσιάζουν τα σύνθετα που ενισχύθηκαν αποκλειστικά με γραφένιο. Από τις δοκιμές εφελκυσμού διαπιστώθηκε ότι η αντοχή αυξάνεται για όλα τα εξεταζόμενα σύνθετα, σε σύγκριση με την μη-ενισχυμένη PDMS. Αύξηση εμφανίζουν και οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας με εξαίρεση τα σύνθετα που έχουν ενισχυθεί αποκλειστικά με γραφένιο, ενώ τη βέλτιστη συμπεριφορά εμφανίζουν τα σύνθετα των MWCNTs. Από την προσαρμογή βιβλιογραφικών μοντέλων στα αποτελέσματα του μέτρου ελαστικότητας, διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο της διατμητικής υστέρησης (shear-lag) προσεγγίζει ικανοποιητικά τα σύνθετα GN/PDMS ενώ το μοντέλο Halpin Tsai για τυχαίο προσανατολισμό του μέσου ενίσχυσης, έχει καλή προσαρμογή στα σύνθετα MWCNTs/PDMS και GN-MWCNTs/PDMS για μικρά ποσοστά ενίσχυσης. 4/100 Μεμβράνες που κατασκευάστηκαν από υβριδικά σύνθετα GN-MWCNTs/PDMS παρουσίασαν τη μεγαλύτερη μείωση της διαπερατότητας σε O2, σε σύγκριση με την μη-ενισχυμένη PDMS καθώς και των συνθέτων της που ενισχύθηκαν αποκλειστικά με γραφένιο ή νανοσωλήνες άνθρακα. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με την επίδραση της γεωμετρίας των γραφιτικών σωματιδίων στο μονοπάτι διάχυσης του αερίου μέσα από την ελαστομερική μήτρα. Η διηλεκτρική φασματοσκοπία χαλάρωσης (DRS) επιβεβαίωσε ότι όλα τα εξεταζόμενα σύνθετα, και ιδιαίτερα αυτά των MWCNTs, εμφανίζουν αγωγιμότητα με εξαίρεση τα δείγματα τα οποία ενισχύθηκαν αποκλειστικά με γραφένιο. Η ενισχυμένη αγωγιμότητα των υβριδικών νανοσυνθέτων GN-MWCNTs θα μπορούσε να αποδοθεί στη συνεργιστική δράση των δύο νανοεγκλεισμάτων άνθρακα τα οποία δημιουργούν ένα αγώγιμο δίκτυο άνθρακα που διευκολύνει την μεταφορά ηλεκτρονίων μέσα από την ελαστομερική μήτρα. Οι μετρήσεις της αγωγιμότητας με το όργανο Loresta δείχνουν αύξηση της αγωγιμότητας των συνθέτων με την αύξηση της συνολικής συγκέντρωσης των ενισχυτικών υλικών. Από τη μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης διαπιστώθηκε ότι προστασία εμφανίζεται σε υψηλές συγκεντρώσεις μέσου ενίσχυσης και με αυξημένη παρουσία των MWCNTs στα σύνθετα της PDMS. Με βάση τα παραπάνω, συμπεραίνεται ότι τα υβριδικά σύνθετα της PDMS δίνουν τη δυνατότητα για το σχεδιασμό υλικών που συνδυάζουν ταυτόχρονα ιδιότητες όπως η μειωμένη διαπερατότητα σε Ο2 καθώς και η αυξημένη θερμική αντοχή και σταθερότητα που προσδίδει το γραφένιο με την αυξημένη αντοχή σε εφελκυσμό, τη μεγαλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα και την αποτελεσματικότερη ηλεκτρομαγνητική θωράκιση που προέρχεται από τους νανοσωλήνες άνθρακα.	el
heal.advisorName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.committeeMemberName	Σαρίμβεης, Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false