Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12549
Title: Ανάπτυξη και μελέτη νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας πολυπροπυλενίου με νανοδομές TiO2
Other Titles: Growth and characterization of nanocomposites of polypropylene polymer matrix with TiO2 nanostructures
Authors: Βισβίνη, Γλυκερία
Keywords: Σύνθετα υλικά
Νανοδιηλεκτρικά
Πολυπροπυλένιο
Διοξείδιο του τιτανίου
Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Χαλαρώσεις
Keywords (translated): Composites
Nanodielectrics
Polypropylene
TiO2
DSC
ATR
XRD
Electrical conductivity
Relaxations
Abstract: Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η παρασκευή και μελέτη νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας. Πρόκειται για μία κατηγορία σύνθετων υλικών, τα οποία αποτελούνται από μία πολυμερική μήτρα και στα οποία μία ή και περισσότερες από τις διαστάσεις της ενισχυτικής φάσης βρίσκεται στην περιοχή των νανομέτρων (τυπικές διαστάσεις μέχρι 100nm). Τα υλικά αυτά συγκεντρώνουν έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον, καθώς οι χαρακτηριστικές ιδιότητες που εμφανίζουν τα κάνουν να ξεχωρίζουν από τα κοινά σύνθετα υλικά και τους δίνουν τη δυνατότητα να αξιοποιηθούν σε πληθώρα τεχνολογικών εφαρμογών. Ως πολυμερική μήτρα επιλέχθηκε το ισοτακτικό πολυπροπυλένιο (PP). Είναι ένα θερμοπλαστικό πολυμερές πολυολεφίνης, χαμηλής πυκνότητας, ημικρυσταλλικό με αρκετά υψηλό βαθμό κρυσταλλικότητας και σημείο τήξεως. Πρόκειται για πολυμερές ευρείας χρήσης, το οποίο έχει μελετηθεί εκτενώς στην pristine μορφή του. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Η μελέτη του TiO2 παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον, κυρίως λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων που εμφανίζει. Πρόκειται για έναν ημιαγωγό ευρέως χάσματος, που μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές: του ανατασίου (anatase), του ρουτιλίου (rutile) και του μπρουκίτη (brookite). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε TiO2, το οποίο εμφανίζει τόσο την κρυσταλλική φάση του ανατασίου, όσο και του ρουτιλίου. Παρασκευάσθηκαν δυαδικά συστήματα πολυπροπυλενίου/διοξειδίου του τιτανίου (PP/TiO2) με έξι περιεκτικότητες, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%, 10 wt% και 15 wt% σε TiO2. Η παρασκευή τους πραγματοποιήθηκε με εργαστηριακό δικόχλιο συνεξωθητή τήγματος πολυμερών (twin screw extruder) και η μορφοποίησή τους σε λεπτά υμένια έγινε με τη χρήση θερμοπρέσσας. Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση της συγκέντρωσης της ενισχυτικής φάσης, στις δομικές, θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των νανοσύνθετων συστημάτων. Επίσης μελετώνται δείγματα της πολυμερικής μήτρας PP ως συστήματα αναφοράς. Η μελέτη των νανοσύνθετων πραγματοποιήθηκε μέσω των τεχνικών της Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD), της Αποσβένουσας Ολικής Ανάκλασης (ATR), της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC) και της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (BDS). Στα φάσματα ακτίνων Χ όλων των δειγμάτων παρατηρούνται κορυφές που αντιστοιχούν στις κρυσταλλικές φάσεις α και γ της πολυμερικής μήτρας. Με την αύξηση της περιεκτικότητας του εγκλείσματος TiO2 στα νανοσύνθετα, παρατηρούνται προοδευτικά περισσότερες κορυφές οι οποίες είναι χαρακτηριστικές των κρυσταλλικών φάσεων του ανατασίου (Α) και ρουτιλίου (R) του εγκλείσματος. Στα φάσματα ATR όλων των δειγμάτων επικρατούν οι κορυφές απορρόφησης οι οποίες οφείλονται σε δονήσεις τάσης (stretching vibrations) και κάμψης (bending vibrations) των -CH2 και -CH3 του πολυμερούς. Στα φάσματα των νανοσύνθετων iv καταγράφονται επίσης κορυφές απορρόφησης χαρακτηριστικές της παρουσίας του εγκλείσματος. Το σημείο τήξεως και ο βαθμός κρυσταλλικότητας της πολυμερικής μήτρας προσδιορίστηκαν από τα θερμογραφήματα DSC. Από τα αποτελέσματα δεν προκύπτει κάποια συστηματική μεταβολή των παραπάνω μεγεθών με την αύξηση της συγκέντρωσης του TiO2. Επίσης δεν ανιχνεύθηκε υαλώδης μετάβαση σε κανένα από τα δείγματα, πιθανότατα λόγω της ημι-κρυσταλλικής φύσης του PP και του μικρού ποσοστού άμορφης φάσης σε αυτό. Τέλος, τα φάσματα διηλεκτρικής απόκρισης BDS των δοκιμίων, που ελήφθησαν στην περιοχή θερμοκρασιών από -100°C έως 160°C και σε εύρος συχνοτήτων από 0.1Hz έως 1 MHz, εμφανίζονται πλούσια σε μηχανισμούς χαλάρωσης, παρά το γεγονός ότι το PP είναι μη πολικό μακρομόριο. Στην περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών, στη μήτρα PP και στα σύνθετα PP/1%wtTiO2, PP/3%wtTiO2, παρατηρείται η γ-χαλάρωση, η οποία οφείλεται σε τοπικές κινήσεις (crankshaft type), που λαμβάνουν χώρα στην άμορφη φάση του PP. Ακολούθως, στις ενδιάμεσες θερμοκρασίες εμφανίζεται σε όλα τα δείγματα η β-χαλάρωση, η οποία συνδέεται με την υαλώδη μετάβαση της άμορφης φάσης του PP. Τέλος, στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, στο φάσμα της μήτρας PP και του νανοσύνθετου PP/1%wtTiO2, εμφανίζεται ο μηχανισμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (Conductivity Term, CT), ο οποίος περιγράφει την απόκριση ελεύθερων φορέων στις μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων. Στην ίδια περιοχή θερμοκρασιών, στα φάσματα όλων των νανοσύνθετων, εμφανίζεται η α-χαλάρωση η οποία συνδέεται με την κρυσταλλική φάση της πολυμερικής μήτρας. Τέλος, όσον αφορά στη θερμοκρασιακή εξάρτηση των μηχανισμών χαλάρωσης, η β-χαλάρωση ακολουθεί την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VFT), ενώ η α1-χαλάρωση και ο μηχανισμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας CT, την εξίσωση Arrhenius.
Abstract (translated): The materials studied in the present thesis, are Polymer Matrix Nanocomposites (PMCs). These are composite materials which consist of a polymer matrix and a reinforcing filler with one or more of its dimensions in the nanometer range and typically with dimensions up to 100 nm. These high-performance materials are under the spotlight of the scientific research, due to their enhanced physical properties in comparison to the common macro/micro composite materials, thus making them promising materials for technological applications. The isotactic Polypropylene was chosen as the polymer matrix. It is a thermoplastic, low density polyolefin polymer, which is semi-crystalline characterized by a high degree of crystallinity and melting point. Polypropylene is a widely used polymer which has been extensively investigated in its pristine form. Titanium dioxide (TiO2) was selected as reinforcing phase. TiO2 is of great interest mainly due to its optical and electronic properties. It is a wide band gap semiconductor, crystallizing in three different crystalline forms: anatase, rutile and brookite. TiO2 used in the present thesis, exhibits both the crystalline phase of anatase and rutile. Binary Polypropylene/Titanium dioxide (PP/TiO2) nanocomposites were prepared in six different concentrations, namely 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%, 10 wt% and 15 wt% in TiO2, using a twin screw extruder. Thin nanocomposites films were prepared using hydraulic thermopress. The aim of this work is the systematic study of the influence of the TiO2 nanofiller concentration on the structural, thermal and dielectric properties of the binary systems, using as reference the polymer matrix. The study of the prepared nanocomposites was carried out by means of X-Ray Diffraction (XRD), Attenuated Total Reflection (ATR), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). X-ray spectra of all samples exhibit peaks corresponding to α and γ crystalline phases of pure PP. Upon increasing the TiO2 content, an increasing number of peaks is observed in the X-ray spectra of the nanocomposites, which correspond to the anatase (A) and rutile (R) crystalline phases of TiO2. The ATR spectra of pure PP and PP/TiO2 nanocomposites are dominated, in the intermediate wavenumber region, by absorption peaks attributed to stretching and bending vibrations of -CH2 and -CH3. The characteristic absorption peaks of TiO2 are also observed in all spectra. DSC thermographs reveal the melting point as well as the degree of crystallinity of all samples. No systematic trend is observed in the degree of crystallinity as a function of nanofiller concentration. It should also be noted, that the glass transition is not observed probably due to the semi-crystalline nature of PP and the low amount of the amorphous phase. vi The Dielectric Response is rich in relaxation mechanisms, in the temperature range from -100°C to 160°C and frequency region from 0.1Hz έως 1 MHz, despite the fact that PP macromolecules are nonpolar. γ-relaxation is observed in pure PP, PP/1%wt and PP/3%wt TiO2 nanocomposites in the low temperature region and it is assigned to the local (most probably crankshaft type) motions in the amorphous phase of PP. In the intermediate temperature region, β-relaxation, associated with the glass transition of amorphous phase of PP, is observed in all samples. In the high temperature region, the Conductivity Term (CT) mechanism is present in the pure PP and PP/1%wtTiO2 spectra. This mechanism describes the response of free charges to the changes of electric field in the low frequency region. In the same temperature region, α-relaxation appears in the spectra of all nanocomposites, the origin of which is attributed to the crystalline phase of PP. Finally, β-relaxation follows Vogel-Fulcher-Tamann (VFT) equation, while α1-relaxation and CT electrical conductivity follow the Arrhenius one.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Master_Visvini_Final_2019.pdfΜεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία3.22 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.