Παραγωγή και χαρακτηρισμός συνθέτων εποξειδικής ρητίνης με γραφιτικά νανοεγκλείσματα

Δρακοπούλου, Ναταλία; Drakopoulou, Natalia

dc.contributor.author	Δρακοπούλου, Ναταλία	el
dc.contributor.author	Drakopoulou, Natalia	en
dc.date.accessioned	2024-09-18T10:02:02Z
dc.date.available	2024-09-18T10:02:02Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60222
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27918
dc.rights	Default License
dc.subject	Νανοσύνθετα υλικά	el
dc.subject	Nanocomposites	en
dc.subject	Εποξειδική ρητίνη	el
dc.subject	Νανοσωλήνες άνθρακα	el
dc.subject	Νανοάνθρακες μεταλλοθερμικής μεθόδου	el
dc.subject	Ηλεκτρομαγνητική θωράκιση	el
dc.subject	Epoxy resin	en
dc.subject	Carbon nanotubes	en
dc.subject	Nanocarbons of metallothermic method	en
dc.subject	Electromagnetic shielding	en
dc.title	Παραγωγή και χαρακτηρισμός συνθέτων εποξειδικής ρητίνης με γραφιτικά νανοεγκλείσματα	el
dc.title	Production and characterization of epoxy resin composites reinforced with carbon-based nanomaterials	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σύνθετα υλικά	el
heal.classification	Composite materials	en
heal.classification	Πολυμερή	el
heal.classification	Νανοϋλικά	el
heal.classification	Polymers	en
heal.classification	Nanomaterials	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-07-08
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρασκευή συνθέτων εποξειδικής ρητίνης με διαφορετικά γραφιτικά νανοεγκλείσματα, η εκτίμηση της επίδρασής τους στη δομή και σε κρίσιμες ιδιότητες των συνθέτων τους με έμφαση στη μελέτη της αποτελεσματικότητας της θωράκισης σε ηλεκτρομαγνητική (ΗΜ) ακτινοβολία. Τα γραφιτικά νανοεγκλείσματα που χρησιμοποιήθηκαν είναι εμπορικοί πολυφλοιϊκοί νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs), εμπορικά νανοφυλλίδια γραφενίου (GP) και νανοάνθρακες που παρήχθησαν με τη μεταλλοθερμική μέθοδο (ΜΤΗ). Η μεταλλοθερμική αναγωγή σε νανοάνθρακες επιτεύχθηκε σε φούρνο στους 675 oC, σε ατμοσφαιρική πίεση, υπό σταθερή παροχή αερίου διοξειδίου του άνθρακα (CO2), έχοντας ως δραστικό αναγωγικό μαγνήσιο. Η δομή των νανοανθράκων μελετήθηκε με χρήση του Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ) και με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) και διαπιστώθηκε ο σχηματισμός σωληνοειδών μορφολογιών, ίνες, γραφενικά φύλλα και σφαιρίδια σε συστάδες.Για την παρασκευή των νανοσυνθέτων εποξειδικής ρητίνης πάχους ~1 mm χρησιμοποιήθηκε η τεχνική διαλύματος με εφαρμογή υπερήχων ενώ σημαντική διαφορά παρατηρήθηκε στην απαιτούμενη ποσότητα διαλύτη ισοπροπανόλης, ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο μέσο ενίσχυσης ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη αραίωση του μίγματος. Με μικρογραφίες SEM στις εγκάρσιες διατομές των συνθέτων συγκέντρωσης 8 phr διαπιστώθηκε η ομοιογενής διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα στην εποξειδική μήτρα ενώ για τα υπόλοιπα μέσα αυτό δεν κατέστη εφικτό. Από τη μελέτη της δομής των συνθέτων με τη μέθοδο της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), εντοπίσθηκε ευρεία κορυφή για 2θ~20o προερχόμενη από την εποξειδική ρητίνη, της οποίας η θέση παραμένει σταθερή ενώ η έντασή της μειώνεται με την προσθήκη μέσων ενίσχυσης. Στα φάσματα XRD του υβριδικού νανοσυνθέτου με 4 phrGP- 4 phr MWCNTs, των νανοσυνθέτων με 8 phr GP και 8 phr MWCNTs διαφαίνεται στις ~26ο η μικρή κορυφή προέρχεται από τη γραφιτική δομή των νανοεγκλεισμάτων. Ο χημικός χαρακτηρισμός με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), με την τεχνική της εξασθενημένης ολικής ανάκλασης (ATR), έδειξε τη μετατόπιση της κορυφής στα 1023 cm-1, που αποδίδεται σε δόνηση τάσης της αιθερικής ομάδας της εποξειδικής ρητίνης σε χαμηλότερες συχνότητες με την προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα. Η συμπεριφορά αυτή συνδέθηκε με τις αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ της εποξειδικής μήτρας και των MWCNTs ενώ στα σύνθετα με πληρωτικό υλικό το γραφένιο και τους νανοάνθρακες δεν υπήρξε ανάλογη διαφοροποίηση στην κορυφή αυτή. Από τη φασματοσκοπία Raman διαπιστώθηκε ότι ο τρόπος παρασκευής των συνθέτων δε δημιούργησε περαιτέρω ατέλειες στη γραφιτική δομή των εγκλεισμάτων καθώς δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές αλλαγές στο λόγο των εντάσεων ΙD/IG των χαρακτηριστικών ζωνών D (1350 cm-1) και G (1580 cm-1) σε σύγκριση με τα αντίστοιχα νανοσύνθετα συγκέντρωσης 8 phr. Ο χαρακτηρισμός των συνθέτων μέσω θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA) σε αδρανές περιβάλλον αζώτου, έδειξε πως στο θερμοκρασιακό εύρος από 30 έως 800 oC η θερμική αποδόμηση λαμβάνει χώρα σε τέσσερα διακριτά στάδια, με το σημαντικότερο να είναι το δεύτερο (300-400 oC). Τη μεγαλύτερη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας στην εποξειδική ρητίνη την προσδίδουν οι νανοσωλήνες άνθρακα και ακολουθούν οι νανοάνθρακες ενώ το γραφένιο δεν προσδίδει κάποια αξιοσημείωτη ενίσχυση στα σύνθετα που ενσωματώνεται.Από τη μελέτη των θερμικών μεταπτώσεων με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) παρατηρήθηκε ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα αυξάνουν την θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) της εποξειδικής μήτρας που ενσωματώνονται λόγω του περιορισμού της κινητικότητας των πολυμερικών αλυσίδων, αποτέλεσμα της καλής διασποράς και των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσουν με τις πολυμερικές αλυσίδες. Αντίθετα, τα σύνθετα του γραφενίου παρουσιάζουν μειωμένη Tg, ενώ το υβριδικό σύνθετο 4 phr MWCNTs – 4 phr GP εμφανίζει τη μεγαλύτερη αύξηση της Tg (14%), ενισχύοντας τη θεωρία για συνεργιστική δράση του γραφενίου στη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα στην πολυμερική μήτρα. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών μελετήθηκαν με τη μέτρηση της αγωγιμότητάς τους. Τα σύνθετα νανοσωλήνων άνθρακα παρουσίασαν μεγαλύτερη αγωγιμότητα από τα αντίστοιχα του γραφενίου και των νανοανθράκων. Αντίστοιχα, κατά τη μελέτη της αποτελεσματικότητας της θωράκισης σε ΗΜ ακτινοβολία, την υψηλότερη θωράκιση παρέχουν τα δείγματα με νανοσωλήνες άνθρακα που για τις συγκεντρώσεις 5 και 8 phr φτάνουν στη θωράκιση τα ~ 21 και 27 dB. Για τα σύνθετα αυτά, ο κύριος μηχανισμός θωράκισης, όπως προέκυψε από τουςσυντελεστές ισχύος, είναι η ανάκλαση. Ακολουθούν, σε αποτελεσματικότητα θωράκισης, τα υβριδικά σύνθετα γραφενίου και νανοσωλήνων άνθρακα, ενώ τη χειρότερη συμπεριφορά παρουσιάζουν τα σύνθετα γραφενίου και νανοανθράκων. Στα σύνθετα αυτά η συμβολή των μηχανισμών της ανάκλασης και της απορρόφησης (R, A) είναι πρακτικά ισοδύναμη, όμως παρουσιάζουν αυξημένη διαπερατότητα, γεγονός που οδηγεί σε σχετικά χαμηλή θωράκιση.Με βάση τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας, διαπιστώνεται ότι τα σύνθετα που περιέχουν νανοσωλήνες άνθρακα παρουσιάζουν βελτιωμένη θερμική σταθερότητα, αυξημένη ηλεκτρική αγωγιμότητα και βελτιωμένη αποτελεσματικότητα θωράκισης κατά την έκθεση σε ΗΜ ακτινοβολία εύρους συχνοτήτων 8.2-12.4 GHz (Χ-band). Επίσης, τα σύνθετα των νανοανθράκων μεταλλοθερμικής μεθόδου έχουν βελτιωμένη θερμική σταθερότητα αλλά υστερούν σε ενίσχυση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της θωράκισης σε ΗΜ ακτινοβολία. Τέλος, τα σύνθετα του γραφενίου δεν επέδειξαν κάποια αξιόλογη βελτίωση στις εξεταζόμενες σε αυτή την εργασία ιδιότητες.	el
heal.abstract	The present Diploma thesis reports on the preparation of epoxy based composites with different carbon nano-inclusions, on the assessment of their effect as fillers, as well as on the structure and critical properties of their composites. Emphasis was placed upon the electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness. As carbon reinforcing materials, were used commercial multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs), commercial graphene nanoplatelets (GP) and nanocarbons produced bymetallothermic method (MTH). The metallothermic reduction to nanocarbons was carried out in a tube furnace at 675 oC, at the atmospheric pressure, under a constant carbon dioxide (CO2) flow over magnesium reductant. The morphology of nanocarbons was investigated by Transmission Electron Microscopy (TEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM), where tubular structures, fibers, graphene sheets and clusters of spheres were observed. For the preparation of epoxy based nanocomposites with ~1 mm thickness, was selected the solution blending technique, using ultrasound. A significant difference was observed in the required amount of isopropanol solvent, depending on the reinforcement, in order to achieve the appropriate dilution of the mixture. SEM micrographs at the cross-section of composites with a content of 8 phr, indicate the homogeneous dispersion of carbon nanotubes in the epoxy, while for the rest of the fillers this was not possible. The study of structure of composites using X-Ray Diffraction (XRD) analysis, revealed a broad peak for 2θ~20o, which was attributed to epoxy resin, the position of which remains unaffected while its intensity is reduced by the addition of reinforcements. At the XRD patterns of the hybrid nanocomposites containing 4 phr GP-4 phr MWCNTs, 8 phr GP and 8 phr MWCNTs, a small peak is observed at ~26o, which is characteristic for the graphitic structure of nano-inclusions.Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, with Attenuated Total Reflectance (ATR) technique was utilized for chemical analysis. The peak at 1023 cm-1 is attributed to the stretching vibration of ether group of the epoxy resin. By the addition of carbon nanotubes a shift of the peak to lower wavenumber direction was observed, related to the developing interactions between epoxy and MWCNTs. FTIR-ATR spectra of composites with graphene and nanocarbon fillers exhibit no shifting in the position of this peak. Structural defects were examined with RAMAN spectroscopy. It was observed that no significant difference exists at the intensity ratio (ID/IG) of characteristic bands D (1350 cm-1) and G (1580 cm-1) between graphitic inclusions and nanocomposites with 8 phrcontent. This confirms that preparation of composites did not create further defects in the graphitic structure of the graphitic inclusions. Thermogravimetric Analysis (TGA) of composites was examined under inert nitrogenenvironment, at the temperature range of 30 to 800 oC. Thermal degradation of composites occurred to four distinct stages, the most important of which was the second stage (300-400 oC). Carbon nanotubes indicated the most significant improvement in thermal stability of epoxy composites, followed by nanocarbons, while graphene as reinforcement did not enhance significantly this property. Differential Scanning Calorimetry (DSC) has been used to study the thermal transitions of composites with content 8 phr. It was observed that the carbon nanotubes increase the glass transition temperature (Tg) of the epoxy matrix by limitating the mobility of polymer chains. This is a result of good filler dispersion and interaction between the epoxy and the MWCNTs. On the contrary, graphene composites show a reduced Tg, while the 4 phr MWCNTs – 4 phr GP hybrid composite note the largest increase in Tg(14%), due to the synergistic effect of graphene and carbon nanotubes on the polymer matrix. The electrical properties of nanocomposites were studied by measuring their conductivity. The carbon nanotube composites showed higher conductivity than their graphene and nanocarbon counterparts.Correspondingly, measurements of electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI-SE) revealed that the samples with concentrations of 5 and 8 phr MWCNTs obtained the highest EMI-SE of ~ 21 and 27 dB. For these composites, the main shielding mechanism, as deduced from the power factors, is reflection. Next, in shielding efficiency/effectiveness, are the hybrid composites of graphene and carbon nanotubes, while the worst behavior is presented by the composites of graphene and nanocarbons. In these composites, the contribution of the mechanisms of reflection and absorption (R, A) is practically equivalent, but they show increased permeability, which leads to a relatively low shielding.Based on the above, it can be concluded that composites containing MWCNTs have improved thermal stability, increased electrical conductivity and improved shielding efficiency when exposed to 8.2-12.4 GHz (X-band) EM radiation. Also, composites filled with nanocarbons by metallothermic method, have improved thermal stability but in electrical conductivity and EMI-SE they are lagging behind. Finally, the graphene composites did not show any appreciable improvement in the properties considered in this work	en
heal.advisorName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.advisorName	Tarantili, Petroula	en
heal.committeeMemberName	Τράπαλης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Trapalis, Christos	en
heal.committeeMemberName	Charitidis, Costas	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμερών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	127 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false