Θερμικός και ηλεκτρικός/διηλεκτρικός χαρακτηρισμός νανοσύνθετων πολύ(τερεφθαλικού αιθυλενίου)/νανοσωλήνων άνθρακα

Abstract

Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η περαιτέρω διερεύνηση των ευρημάτων των: “Logakis Em., Pissis P., Pospiech D., Korwitz A., Krause B., Reuter U., Pötschke P.” στη δημοσίευση “Low electrical percolation threshold in poly(ethylene terephthalate)/multi-walled carbon nanotube nanocomposites” στο European Polymer Journal. Μελετήθηκαν δείγματα νανοσύνθετων πολυμερών PET με εγκλείσματα πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων αναμειγμένα με τη μέθοδο της ανάμειξη σε τήγμα (melt blending) με χρήση προανεμειγμένων κόκκων (masterbatch) από in-situ πολυμερισμό. Έγινε χαρακτηρισμός αυτών των δειγμάτων με χρήση διηλεκτρικών και θερμικών μεθόδων χαρακτηρισμού. Στο κείμενο της εργασίας αυτής περιλαμβάνεται μια συνοπτική παρουσίαση του θεωρητικού υποβάθρου της τεχνολογίας νανοσύνθετων πολυμερών καθώς και μερικών μεθόδων χαρακτηρισμού υλικών. Επίσης, παρουσιάζονται λεπτομερώς οι παράμετροι και τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Τέλος παρατίθενται λεπτομερείς αναφορές στη βιβλιογραφία για τη θεωρία και τα πειραματικά αποτελέσματα. Η κρυστάλλωση και η τήξη των κρυσταλλικών περιοχών καθώς και η υαλώδης μετάβαση των άμορφων περιοχών μελετήθηκαν με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Παρατηρήθηκε η ύπαρξη 2 αντίθετων διαδικασιών για την κορυφή κρυστάλλωσης που αποδόθηκε στην δράση των νανοσωλήνων άνθρακα ως εξωγενείς πυρήνες κρυστάλλωσης και στην δημιουργία σταυροδεσμών στο masterbatch που μειώνουν το ποσοστό κρυσταλλικότητας. Επίσης στις καμπύλες τήξης παρατηρήθηκε το φαινόμενο τήξης - επανακρυστάλλωσης - επανατήξης του οποίου η συμπεριφορά με την περιεκτικότητα αποδόθηκε στην πιθανή επίδραση των νανοσωλήνων στη μορφή των κρυσταλλιτών στο πολυμερές. Με διηλεκτρική φασματοσκοπία εναλλασσόμενου πεδίου, μελετήθηκαν η αγωγιμότητα και το πραγματικό και φανταστικό μέρος της διηλεκτρικής συνάρτησης των δοκιμίων. Η ένταση των ε΄ και ε΄΄ καθώς και η αγωγιμότητα αυξάνεται με προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα. Με προσαρμογή σε τύπο από τη θεωρία διαφυγής για το ε΄ υπολογίστηκε το κατώφλι διαφυγής για την αγωγιμότητα σε pc = 0.125% κατά βάρος. Από τις ισόχρονες και ισόθερμες καμπύλες διηλεκτρικής φασματοσκοπίας παρατηρήθηκαν οι α και β μηχανισμοί διηλεκτρικής χαλάρωσης του πολυμερούς και βρέθηκε ότι οι κορυφές τους δεν μετατοπίζονται με μικρές περιεκτικότητες νανοσωλήνων άνθρακα. Οι μηχανισμοί β1 και β2 του PET μελετήθηκαν με λεπτομέρεια με τη μέθοδο TSDC και την τεχνική επιλεκτικής πόλωσης. Τα αποτελέσματα των μεθόδων αυτών σε συνδυασμό με αυτά της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας δίνουν χαρακτηριστικά για τους μηχανισμούς χαλάρωσης και τις αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησής σε ένα διάγραμμα Arrhenius.

The purpose of this dissertation is to further explore the findings of: “Logakis Em., Pissis P., Pospiech D., Korwitz A., Krause B., Reuter U., Pötschke P.” in the paper “Low electrical percolation threshold in poly(ethylene terephthalate)/multi-walled carbon nanotube nanocomposites” published at the European Polymer Journal. We studied the properties of PET/multiwall carbon nanotubes polymer nanocomposites prepared with the method of melt blending with use of an in-situ polymerized masterbatch. The samples were studied using techniques of dielectric and thermal materials characterization. This text begins with an introduction of the theoretical background relative to the science and technology of polymer nanocomposites as well as material characterization techniques. After that, the results and findings are presented and discussed. Finally, detailed references for both theory and results discussion are cited. The crystallization and melting of crystallic areas of the samples, as well as the glass transition of their amorphous areas were examined with differential scanning calorimetry. We found 2 opposing processes for the crystallization peak, carbon nanotubes act as crystallization nuclei therefore increasing crystallinity and at the same time promote the creation of crosslinks in the polymer matrix. In the thermograms of melting the phenomenon of melting – recrystallization – remelting was observed and was discussed along the potential impact of nanotubes on the properties of crystalline areas in the polymer matrix. We used dielectric relaxation spectroscopy to measure conductivity and the dielectric function for a wide frequency band. The intensity of ε’, ε’’ and the measure of conductivity were all found to increase with the increase of percentage of carbon nanotubes. With a fitting of data from ε’ in the corresponding formula derived from percolation theory, we found the percolation threshold to be pc = 0.125% wt. From the isochronous and isothermal plots of DRS we found that the peaks of the α and β mechanisms of dielectric relaxation for PET do not move in the time or temperature domain with the addition of carbon nanotubes for the samples we examined. Thermally stimulated discharge currents spectroscopy was utilized for the detailed examination of the β1 and β2 relaxation mechanisms. The results of this method along with those of DRS were included in an Arrhenius diagram from which further characteristics of all dielectric relaxation mechanisms were acquired.