δείτε την πρωτότυπη σελίδα τεκμηρίου στον ιστότοπο του αποθετηρίου του φορέα για περισσότερες πληροφορίες και για να δείτε όλα τα ψηφιακά αρχεία του τεκμηρίου*
Παρασκευή και χαρακτηρισμός νανοσύνθετων υλικών πολυστυρενίου
(EL)
Σιάσου, Ζωή
(EL)
Σιάσου, Ζωή
(EL)
Μπάρκουλα, Νεκταρία-Μαριάνθη
(EL)
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
(EL)
Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι η δημιουργία ενός νέου νανοσύνθετου υλικού που αποτελείται από πολυμερική μήτρα πολυστυρενίου και ενισχυτική φάση διοξειδίου του πυριτίου ή πυριτίας (silica) με στόχο τη βελτίωση των ιδιοτήτων της πολυμερικής μήτρας (ενίσχυση μηχανικής απόκρισης, μείωση διαπερατότητας κλπ). Χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι μεσοπορώδους πυριτίας με διαφορετικό μέγεθος πόρου (SBA και MCF). Για την βελτίωση της πρόσφυσης της νανοενίσχυσης με την πολυμερική μήτρα χρησιμοποιήθηκαν δύο προσεγγίσεις: α) τροποποίηση της πολυμερικής μήτρας με μηλεϊνικό ανυδρίτη (τροποποιημένο πολυ(στυρένιο-συν-μηλεϊνικού ανυδρίτη) - Poly(styrene-co-maleic anhydride) (PScoMA)) και β) επιφανειακή τροποποίηση της νανοενίσχυσης MCF με επιφανειοδραστικές ουσίες (Amino και Phenyl).
Η προσθήκη της μεσοπορώδους πυριτίας στη μήτρα πολυστυρενίου προς δημιουργία νανοσύνθετου έγινε με την τεχνική της εξώθησης τήγματος με χρήση εξωθητή διπλού κοχλία. Προηγήθηκε πειραματική διαδικασία για την εύρεση των κατάλληλων συνθηκών δημιουργίας των υλικών (θερμοκρασία και στροφές/λεπτό στον διπλοκόχλιο εκβολέα), όπου έδειξε βέλτιστες συνθήκες τις 170°C και 50 στροφές/λεπτό. Στη συνέχεια το παραχθέν υλικό μορφοποιήθηκε στη μορφή φιλμ με τη βοήθεια θερμοπρέσας. Για τον χαρακτηρισμό των υλικών πραγματοποιήθηκε μελέτη της δομής με την μέθοδο περίθλασης ακτίνων-Χ, μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων και καθορισμός της διαπερατότητας των υλικών σε υγρασία.
Η προσθήκη πυριτίας στην μήτρα πολυστυρενίου έγινε σε τέσσερα διαφορετικά ποσοστά 0.5%, 1%, 3% και 5% κ.β.. Δημιουργήθηκαν δύο ομάδες υλικών α) μη τροποποιημένη μήτρα - τροποποιημένη ενίσχυση και β) τροποποιημένη μήτρα – μη τροποποιημένη ενίσχυση. Τα αποτελέσματα XRD κατέδειξαν ότι η πυριτία ενσωματώνεται καλύτερα στη μήτρα πολυστυρενίου όταν το ποσοστό ενίσχυσης είναι μικρό (μέχρι 1% κ.β.) ενώ φάνηκε και η σημαντική επίδραση του τύπου της πυριτίας και της τροποποίησης της διεπιφάνειας πυριτίας/πολυστυρενίου (είτε της πυριτίας είτε της μήτρας) στην δομή και οργάνωση των νανοσύνθετων πολυστυρενίου. Τα αποτελέσματα των μηχανικών ιδιοτήτων έδειξαν ότι σε μικρά ποσοστά 0.5% και 1% υπήρξε σημαντική αύξηση του μέτρου ελαστικότητας Ε για τους περισσότερους συνδυασμούς υλικών που εξετάστηκαν. Παρόλα αυτά η προσθήκη πυριτίας οδήγησε
6
στα περισσότερα συστήματα σε μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό και της παραμόρφωσης σε θραύση πιθανόν λόγω συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων και όχι καλής διασποράς τους στο πολυμερές. Η επιφανειακή τροποποίηση με Phenyl της MCF πυριτίας οδήγησε σε βελτίωση όλων των μηχανικών ιδιοτήτων για ποσοστό ενίσχυσης 1% κ.β.. Επίσης ο συνδυασμός τροποποιημένου πολυστυρενίου και MCF σε ποσοστό ενίσχυσης 3% κ.β. οδήγησε σε βελτιωμένη δυσκαμψία και διατήρηση της αντοχής και παραμόρφωσης στην θραύση σε σχέση με το μητρικό υλικό. Η προσθήκη της πυριτίας οδήγησε συνολικά σε αύξηση της διαπερατότητας σε υγρασία σε σχέση με τα μητρικά υλικά. Παρόλα αυτά τα συστήματα πολυστυρένιο / MCF Phenyl 1% κ.β. και τροποποιημένο πολυστυρένιο / MCF 3% κ.β. που παρουσίασαν τις βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες παρουσίασαν επίσης διατήρηση ή και βελτιωμένη διαπερατότητα και προκρίνονται για περαιτέρω χρήση.
(EL)
The subject of the present postgraduate thesis is the creation of a new nanocomposite material consisting of a polymeric polystyrene matrix and a reinforcing phase based on silica with the aim to improve the properties of the polystyrene matrix (enhancement of mechanical performance, improvement of barrier properties, etc). Two types of mesoporous silica with different pore size were used (SBA-15 and MCF). For the improvement of the interaction between the nano reinforcement and the polystyrene matrix two approaches were followed a) modification of the polystyrene matrix with Poly(styrene-co-maleic anhydride) (PScoMA) and b) modification of the MCF with surface active compounds (Amino and Phenyl).
The incorporation of the mesoporous silica in the polystyrene matrix for the creation of the nanocomposite materials was achieved through melt extrusion using a twin screw extruder. Initial experiments were conducted in order to find the appropriate processing conditions for the creation of the materials (temperature and rotational speed in the twin screw extruder). These experiments concluded that optimal processing conditions are 170°C and 50 rpm. Subsequently the created material was pressed using a thermomechanical press for the production of films. Films were characterized using Xray diffraction, tensile test and water vapor permeability in order to study the effect of mesoporous silica on the structure, mechanical and barrier properties of the created materials.
Four different contents of mesoporous silica were added in the polystyrene matrix, i.e. 0.5, 1, 3 and 5 wt. %. Two groups of materials were created a) the first group contained non modified matrix - modified reinforcement and b) the second group examined materials with modified matrix - non modified reinforcement. XRD results revealed that silica is better incorporated in the polystyrene matrix at low contents (up to 1 wt. %), while it was demonstrated that the type of mesoporous silica as well as the interface between silica/polystyerene (controlled via silica or via matrix modification) play a significant role on the obtained morphology. Tensile tests revealed that low contents of mesoporous silica (0.5 and 1 wt. %) resulted in enhanced Young’s Modulus in most systems. Nevertheless, the addition of silica deteriorated the strength and stain at break of the tested nanocomposites, possibly due to agglomeration issues and/or inferior dispersion of silica in the polystyrene matrix. Surface modification of MCF silica with
8
Phenyl resulted in enhanced modulus, strength and strain at break at 1 wt. % content. Another successful combination was PScoMa with unmodified MCF at 3 wt. % content. Water vapor permeability was inferior in most nanocomposites compared with that of neat polystyrene. However, polystyrene / MCF Phenyl 1 wt. % and PScoMa / MCF 3 wt. % which presented optimal mechanical properties showed also adequate permeability (similar or improved compared to neat polystyrene) and can be suggested for further use.
(EN)
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
(EL)
*Η εύρυθμη και αδιάλειπτη λειτουργία των διαδικτυακών διευθύνσεων των συλλογών (ψηφιακό αρχείο, καρτέλα τεκμηρίου στο αποθετήριο) είναι αποκλειστική ευθύνη των αντίστοιχων Φορέων περιεχομένου.
Βοηθείστε μας να κάνουμε καλύτερο το OpenArchives.gr.
