Transcript SzG

SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS ANYAGOK
Polimer mátrixú nanokompozitok
Szebényi Gábor
Egyetemi tanársegéd
Budapest 2011. december 13.
NNA-P3-T1
Fő kutatási irányok
 Nanokompozitok
 Hibrid nanokompozitok
 Nanoszálak
 Nanostrukturált hibrid gyanták
 Önjavító rendszerek
NNA-P3-T1
2/38
Polimer nanokompozitok a gyakorlatban
3/38
Rétegszilikátok – Montmorillonit
Fizikai tulajdonságok
Fajlagos felület: <750 m2/g
E=180-260 GPa
Rétegtávolság: 1-3 nm
Rétegvastagság: 0,98 nm
Nedvszívó
4/38
Szakítószilárdság [GPa]
Szén nanocsövek
Tulajdonság
Mértékegység
SWCNT
MWCNT
Fajlagos felület
[m2/g]
1300
200
Sűrűség
[g/cm3]
0,8
1,8
Húzó rugalmassági modulus
[TPa]
~1
~0,3-1
Szakító szilárdság
[GPa]
50-500
10-60
5/38
Grafén
Tulajdonság
Mértékegység
Grafén
Fajlagos felület
[m2/g]
2630
Sűrűség
[g/cm3]
0,8
Húzó rugalmassági modulus
[TPa]
~1
Szakító szilárdság
[GPa]
130
6/38
Polimer nanokompozitok
Nanokompozit: olyan polimer rendszer, melyben a folytonos polimer
fázis mellett minimum egy dimenzióban nanométeres (1-200 nm)
heterogenitás található.
A tulajdonságok javulásának egyik alapfeltétele a nanorészecskék
homogén diszperziójának létrehozása, eloszlatása a mátrix
polimerben.
Nanokompozitok előállítása
 nagy nyíróerővel
(mátrix: ömledék állapotban)
 In situ polimerizáció
(mátrix: monomer formában)
 Oldószeres eljárás
(mátrix: oldott állapotban)
7/38
Hibrid kompozitnak nevezünk minden olyan erősített
rendszert, amely többféle erősítő-, vagy mátrixanyagot
tartalmaz.
Mátrixanyag:
Epoxigyanta
Epoxigyanta +
vinilészter
Többfalú szén
nanocső
(MWCNT,
Baytubes BT
150 HP)
Szénszál
(Zoltek PX35
FBUD0300)
8/38
Közvetlen keverés
hengerszéken
Előnye:
termelékeny, hatékony
Hátránya:
kb. 1 Pas alsó viszkozitás
korlát
FM-20 lamináló gyanta, 25°C
hőmérsékleten
FM-20 lamináló gyanta + 0,5 tömeg%
MWCNT
9/38
MWCNT-k eloszlatása alacsony
viszkozitású gyantákban
Kiindulási viszkozitás 0,1 Pas
Termelékenység és
hatékonyság fenntartása
Közvetlen keverés erős nyírású zárt keverőben
(DM)
Mesterkeverékes keverés (MB)
10/38
Mesterkeverékes technológiával előállított minta vizsgálata TEM-mel
AH-12 – T-58 epoxigyanta + 0,3 tömeg% mesterkeverékes technológiával (MB)
eloszlatott MWCNT
11/38
FM-20 – T-16 epoxigyanta + 2 tömeg% MWCNT elektronbesugárzása
Besugárzási paraméterek:
8 MeV elektron energia
100 kGy besugárzási dózis
10 Gy/s dózissebesség
Légköri körülmények
A – kezeletlen minta
B – besugárzott minta
12/38
Vinilészter elektronbesugárzással iniciált térhálósítása
1630
Besugározatlan EP+10 m% VE
25 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE
50 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE
100 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE
A vinilészter térhálósodása elektronbesugárzás hatására
erősítetlen próbatestekben
13/38
Hibrid kompozitok mechanikai tulajdonságai
14/38
Hibrid kompozitok mechanikai AFM felvételei
a)
b)
Hagyományosan (a) és elektronsugárzással (b) térhálósított
0,3 tömeg% szén nanocsövet és 50 tömeg% vinilésztert
tartalmazó epoxigyanta AFM fázis felvétele
15/38
I. törési mód
II. törési mód III. törési mód
Próbatest
Befogófül
AE érzékelő
Rögzítőcsap
Közvetítő elem
Skála a vizuális
repedéskövetéshez
Befogószerkezet
A mérési elrendezés
16/38
17/38
Termoplasztikus elasztomerek I.
Hő hatására könnyen,
reverzibilisen felbontható
fizikai térháló
A szegmensek
termodinamikailag
összeférhetetlenek
Két fő csoport:
Keverékek
Blokk-kopolimerek
18/38
Termoplasztikus elasztomerek II.
Egyesítik két anyagcsoport előnyös tulajdonságait:
Rugalmas viselkedés felhasználási hőmérsékleten, de
Megolvaszthatók, ömleszthetők (fröccsönthetők, extrudálhatók)
Nagyon jól társíthatók más anyagokkal
Fém- és kerámia felületen is jól tapadnak
Egyszerűbb újrahasznosíthatóság
Nincs szükség bonyolult receptúrára
Hátrányaik:
Kúszás és feszültségrelaxáció
Gyenge vegyszer- és hőállóság
Alacsony hőstabilitás
Drágább alapanyag
Korom nem használható töltőanyagként
19/38
Társítás nanorészecskékkel
Rétegszilikátok:
Kisebb elasztomer részek, jobb homogenitás
Rugalmassági modulusz, folyáshatár növekedés
Jelentős csökkenés a hőtágulási együtthatóban
Szén nanocsövek:
Szakító szilárdság, rugalmassági modulusz, folyáshatár növekedés
Grafén:
Üvegesedési, olvadási, bomlási hőmérséklet növekedés
Szakító szilárdság, rugalmassági modulusz növekedés
Hőstabilitás javítása, égésgátlás, lángkioltó képesség
Alumínium-oxid-hidroxid:
Rugalmassági modulusz, szakadási nyúlás növekedés
Bomlási hőmérséklet növekedés
20/38
Társítás nanorészecskékkel II.
21/38
Próbatestek készítése és vizsgálata
Alapanyagok:
MMT
TPE
CNT
GNP
AlO(OH)
Próbatestek gyártásának lépései:
Belső keverő
Préselés
Piskóta próbatestek kivágása
Vizsgálatok:
Szakítóvizsgálat, kezdeti hiszterézissel
Pásztázó elektronmikroszkópia
22/38
23/38
Elektronmikroszkópos felvételek I.
TPE
TPE+GNP
TPE+CNT
TPE
TPE+GNP
TPE+CNT
24/38
Elektronmikroszkópos felvételek II.
TPE+AlO(OH)
TPE+MMT
TPE+AlO(OH)
TPE+MMT
TPE+AlO(OH)
TPE+MMT
25/38
Az elektro-szálképzés (electrospinning)
Jellemző szálátmérő: 10 nm - 5 µm között, jól szabályozható
(Szabad szemmel jellemzően nem is látható)
Szálhossz:
Potenciálisan végtelen
(szálvégek nem kimutathatók)
Struktúra:
Jellemzően rendezetlen szálpaplan, szálak között kötéspontok
(Előnyös: nem rákkeltő, nincsen szilikózis veszély, egészségre
ártalmatlan, hagyományos textilipari eljárásokkal feldolgozhatók)
Alapanyag: Polimerek, adalékolt polimerek, stb.
Az alapanyag rendszerint oldat, de lehet ömledék is
Az eljárás: A szálak nyújtására a hagyományos szálképzési
eljárásokkal szemben nem mechanikai, hanem
elektrosztatikus erőket használ fel.
Már 1902-ben felfedezték, de csak az utóbbi években
vált jelentős kutatási területté:
Szűréstechnika, gyógyszerkészítmények, mesterséges
szövetek vázanyaga, szenzorok, napelemek stb.
26/38
A szálképzés rendszerint cseppből történik. A csepp az elektrosztatikus erők hatására
megnyúlik, a hegyén kilép egy folyadéksugár, ami elvékonyodik. Az oldószer elpárolog
és a folyadéksugár szálakká szilárdul.
A fellépő instabilitások hatására a szálak véletlenszerűen rakódnak le a földelt gyűjtőelektródára.
NNA-P3-T1
27/38
Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása
nanoszálakkal
-Kompozitokban alkalmazva nem okoz jelentős tömegnövekedést, vagy
méretváltozást, ha mikroszálas rétegek közé nanoszálas rétegeket helyezünk
-A nanoszálak és nanopórusok kiválóan gátolják a
-repedésterjedést és a delaminációt
Szénszálerősítésű epoxi + poliakrilnitril nanoszálas szálpaplan
A rétegek közé helyezett nanoszálas minták vizsgálata dinamikus
behatások esetén.
28/38
Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása
nanoszálakkal – ejtődárdás vizsgálatok
Perforációs energia (vastagsággal korrigált érték):
Nanoszálas minta: 1,76 ± 0,13 J/mm
Referencia minta: 1,25 ± 0,11 J/mm
Ami 41%-os, szignifikáns növekedést jelent!
A perforációhoz tartozó behatolási mélység (feltételezve, hogy a dárda
nem lassul le jelentősen a lyukasztás során):
Nanoszálas minta: 5,45 ± 0,15 mm
Referencia minta: 4,57 ± 0,20 mm
Ami közel 20%-os növekedést jelent!
1 g/m^2 nanoszál behelyezése után, tehát a tömeg gyakorlatilag nem
növekedett meg.
A nanoszálas rétegközi társítás képes szívósabbá tenni CF/EP
kompozitokat dinamikus igénybevételek esetében.
29/38
Egyedi elektro-szálképző berendezés fonalak folytonos
üzemű előállításához
Változtatható paraméterek: elhúzási sebesség, oldat térfogatáram,
szálképzési köz, tápfeszültség, tekercselő magassága, stb.
A végeredmény egy nanoszálas fonal, ami a hagyományos textilipari
technológiákkal: szövés, fonatolás stb. feldolgozható. A tulajdonságai tág
határok között szabályozható.
30/38
Nanoszálas szálkötegek és fonalak előállítása
Kimutattuk, hogy speciális kialakítású folyadék-szálgyűjtő
eredményesebb, mint az irodalomban tárgyaltak.
elektróda
A szálak tönkremeneteli folyamatát egy számítógépes modellel elemeztük
és arra a következtetésre jutottunk, hogy a nanoszálas anyagok
tönkremenetele eltér a mikroszálas anyagokétól, ami a leendő termékek
méretezésében is eltérést jelenthet.
31/38
Fonalminták előállítása
Alapanyagként poliakrilnitrilt használunk
(PAN), ami a hagyományos szénszálgyártás
legnépszerűbb alapanyaga.
Akár 3 méter/perc előállítási sebesség a
laboratóriumi méretű berendezéssel,
folytonos üzemmódban!
A szén nanocső-töltés teszi lehetővé a
nagyobb elhúzási sebességeket, nem
szakad el a fonal. Emellett a szálakat is
erősítik, esetleg javíthatják a grafitosodási
hajlamot
Igazoltuk, hogy a szén nanocsövek
(kb. 10 nm átmérő) a szálképzés során a
nanoszálak
(kb. 100-500 nm) átmérő
belsejébe kerülnek.
32/38
Nanoszálas szálkötegek és fonalak előállítása
Speciális kialakítású, saját fejlesztésű
folyadék-szálgyűjtő elektróda és megfelelő
elhúzás
alkalmazásával
nagyfokú
szálorientáció érhető el.
A PAN
fonalból
oxidációval
majd
karbonizációval
szén
nanoszálakat
állíthatunk
elő
a
hagyományos
szénszálgyártáshoz hasonló módon.
A szálátmérő jellemzően 350 nm (az
oxidációt megelőzően) a fonal struktúrán
belül.
Az oxidáció során jelentős orientációnövekedés érhető el. A fonal hosszát
tekintve akár kétszeresére is nyújtható.
33/38
Fonal keresztmetszete (SEM)
PAN
PAN+0,5% MWCNT
34/38
Egy nanoszerkezetű, szénszálas erősítőanyagot állítunk elő, ami
alternatívája lehet a hagyományos szénszálaknak és hagyományos
technológiákkal feldolgozható, valamint üzemi méretekben is
előállítható.
A kutatások során foglalkozunk:
-az egyedi nanostruktúra kialakításával,
-mechanikai tulajdonságok
optimálásával,
-a tönkremeneteli folyamatok
mechanikai leírásával
-a karbonizációval, mint thermokémiai
eljárással,
-a termék nagyüzemi gyártásának
megalapozásával
- nanoszálas szerkezetek kompozitipari
alkalmazásaival
35/38
Önjavító rendszerek
36/38
Önjavító rendszerek
37/38
Köszönöm a figyelmet!
NNA-P3-T1