Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Manufacturing and experimental investigation of green composite materials
Other Titles: Κατασκευή και μελέτη σύνθετων υλικών φιλικών προς το περιβάλλον
Authors: Κουτσομητοπούλου, Αναστασία
Issue Date: 2014-04-30
Keywords: Green composites
Biodegredable polymers
Epoxy resin
Polylactic acid (PLA)
Olive pits
Olive husks
Glass beads
Syntactic foam
Injection molding
Mechanical properties
Keywords (translated): Σύνθετα υλικά φιλικά προς το περιβάλλον
Βιοδιασπώμενα υλικά
Εποξεική ρητίνη
Πολυ-γαλακτικό οξύ
Κοκκώδη σύνθετα
Σκόνη ελαιοπυρήνα
Σκόνη αμύλου
Σφαιρίδια γυαλιού
Νανοσωλήνες άνθρακα
Μηχανικές ιδιότητες
Abstract: The aim of the present thesis is to explore sustainable low cost environmentally friendly composite materials. It is a step by step experimental research. Firstly, taking under consideration the so far commercial available non-organic materials used as reinforcement and the petroleum based resins used as matrices, composite materials were fabricated and mechanically characterized. Different components in micro- and nano- scale were combined. Afterwards, the non-organic materials used as reinforcements were substituted by different types of non conventional natural-based fillers. The fillers (corn starch and olive pit granules) were in powder form, derived from agricultural local resources and additionally flax fabric used to produce laminated composites. All the semi-green epoxy composites were characterized by means of three-point bending testing. Moreover, the manufactured composites were induced in several sources of damage and their residual properties were extensively investigated. More precisely, the effect of the strain-rate and low velocity impact as well as of thermal fatigue, on the mechanical properties of the olive pit and the flax fabric reinforced resin was studied. Since, conventional and semi-green composite materials were fabricated and experimentally investigated, the final objective of the present thesis was to produce novel green composites materials by substituting the petroleum-based epoxy resin with a biodegradable derived from natural resources biopolyester. In order to accomplish this target, polylactic acid (PLA) was combined with olive pits in powder form at different concentrations. Olive pits, is almost unknown non-traditional filler to composites, obtained during the oil extraction process. It is a raw material characterized by its low cost and its abundance, since it consists a waste product of the olive oil industry. In order to successfully accomplish this part of research, experiments were taken place in France at the CMGD (Centre des Matériaux de Grande Diffusion) Institute of the École Nationale Supérieure des Mines d’ Alés, under the guidance of Prof. A. Bergeret within the framework of research cooperation with the main supervisor of this thesis, Prof. G. Papanicolaou. The most important feature of the present green composites is their satisfactory mechanical and thermal performance in combination with their complete biodegradability. The PLA/olive pit composites could be applied to various components with moderate strength such as automotive interiors, interior building applications, durable goods, serviceware and food packaging material The aim of this part of the study was to investigate the effect of three types of olive pit powder at different weights fractions on the physical and mechanical properties of polylactide (PLA) matrix composites. For the preparation of the powder, two different grinding procedures were applied, producing three types of olive pit powder. Various measurements were accomplished to determine characteristics such as the density and the size distribution and the shape of the powder. Different PLA/ olive pits powder composites were manufactured by extrusion and injection molding. A comparative study between the different composites was made in order to investigate the matrix-filler interactions, occurring between the PLA and olive pit granules and their overall physical, mechanical and thermomechanical properties were investigated by means of TGA, FT-IR, DSC, SEM, flexural and uni-axial tensile testing. Finally, theoretical predictive models were applied in most of the composite materials manufactured in the present work. These models making use of minimal number of experimental results can satisfactorily predict the residual properties of damaged materials, irrespectively of the type of the material investigated and the damage source. Namely, the Modulus Predictive Model (ΜPM), the Residual Properties Model (RPM) and the Residual Strength after Impact Model (RSIM), have been successfully applied. A big number of interesting conclusions have been derived from the present work. However, a general conclusion is that a totally green composite with useful properties and applications is a promising target for the humanity and the planet survivability.
Abstract (translated): Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή και μελέτη συνθέτων υλικών χαμηλού κόστους ενισχυμένων με φυσικά υλικά, φιλικά προς το περιβάλλον. Η επίτευξη αυτού του στόχου πραγματοποιήθηκε σταδιακά. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια εκτεταμένη μελέτη διαφορετικών συνθέτων υλικών τα οποία ήταν εξ’ ολοκλήρου κατασκευασμένα από ανόργανα και συνθετικά υλικά. Γι’ αυτό το σκοπό κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών που έχουν ως μήτρα μια εμπορικά διαθέσιμη πετροχημική εποξειδική ρητίνη. Η εποξειδική ρητίνη ενισχύθηκε με ανόργανα υλικά σε μικρο- (συμπαγή και κενά σφαιρίδια γυαλίου) και νανο- (νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος) διαστάσεις. Στη συνέχεια, βασιζόμενη στο ήδη υπάρχον επιστημονικό υπόβαθρο, καθώς η μεταπτυχιακή μου εργασία ειδίκευσης ήταν στο ίδιο ερευνητικό πεδίο με το αντικείμενο της διδακτορικής μου διατριβής, γίνεται προσπάθεια περαιτέρω εξέλιξης της έρευνας που σχετίζεται με την μελέτη και κατασκευή συνθέτων φιλικών προς το περιβάλλον. Ως εκ τούτου, το επόμενο στάδιο της πειραματικής μελέτης στα πλαίσια εκπόνησης της διατριβής αυτής, ήταν η κατασκευή και χαρακτηρισμός, ως προς την μηχανική τους συμπεριφορά, συνθέτων υλικών πολυμερικής εποξειδικής μήτρας ενισχυμένης με διαφορετικού τύπου φυσικές ενισχύσεις και περιεκτικότητες. Οι φυσικές ενισχύσεις που επιλέχθηκαν να μελετηθούν ήταν τόσο σε μορφή κόκκων και μικρο-ινών, όσο και σε μορφή υφάσματος. Τα εγκλείσματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν σκόνη από κόκκους ελαιοπυρήνα και σκόνη αμύλου καλαμποκιού. Στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με κόκκους ελαιοπυρήνα, έγινε μελέτη της επίδρασης των διαφορετικών ρυθμών παραμόρφωσης στις μηχανικές τους ιδιότητες, ενώ στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με την σκόνη αμύλου μελετήθηκαν εκτενώς οι στατικές μηχανικές τους ιδιότητες. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν πολύστρωτα σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας για τις διάφορες στρώσεις ύφασμα από ίνες λιναριού. Τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά χαρακτηρίστηκαν ως προς τις μηχανικές τους ιδιότητες, υποβλήθηκαν σε θερμική κόπωση και υπέστησαν κρούση χαμηλής ενέργεια. Οι εναπομένουσες μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών μελετήθηκαν τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά. Ο απώτερος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν να γίνει η δυνατή η κατασκευή συνθέτων υλικών τα οποία να είναι πλήρως βιοδιασπώμενα και φιλικά προς το περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, το τρίτο και τελευταίο στάδιο της έρευνας που διεξήχθη στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, ήταν η κατασκευή εξολοκλήρου φυσικών συνθέτων υλικών έχοντας ως μήτρα ένα βιοδιασπώμενο πολυεστέρα φυτικής προέλευσης, το πολύ (γαλακτικό οξύ), ενισχυμένο με σκόνη από κόκκους ελαιοπυρήνα. Ο ξηρός ελαιοπυρήνας που χρησιμοποιήθηκε, αποτελεί μέρος των αποβλήτων που προκύπτουν από την διαδικασία παραγωγής ελαιολάδου. Ο ελαιοπυρήνας σε αυτή την μορφή έχοντας μηδαμινό κόστος απαντάται σε εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες και σε σημαντικό ποσοστό εναποτίθεται στους περιβάλλοντα χώρους των μονάδων παραγωγής του ελαιολάδου. Η ερευνητική εργασία που σχετίζεται με αυτό το αντικείμενο του διδακτορικού έλαβε χώρα στην Γαλλία στο École Nationale Supérieure des Mines d’ Alés, στο ερευνητικό ινστιτούτο CMGD (Centre des Matériaux de Grande Diffusion) υπό την επίβλεψη της καθηγήτριας A. Bergeret, στα πλαίσια ερευνητικής συνεργασίας του επιβλέποντα καθηγητή Γ. Παπανικολάου και της ερευνητικής του ομάδας. Τα πειράματα που διεξήχθησαν στο ερευνητικό ινστιτούτο CMGD, περιελάμβαναν αρχικά την προετοιμασία των κόκκων του ελαιοπυρήνα στην κατάλληλη μορφή για να είναι δυνατή η χρησιμοποίησή τους ως ενισχυτικό υλικό. Έγινε κονιορτοποίηση των κόκκων από την οποία προέκυψαν δύο τύπου σκονών που διέφεραν ως προς την διασπορά του μεγέθους των κόκκων, ενώ μια τρίτη σκόνη ελαιοπυρήνα είχε ήδη προετοιμαστεί με διαφορετική μέθοδο κονιορτοποίησης στο τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστήμιου Πατρών. Έγινε εκτενής χαρακτηρισμός των φυσικών και μορφολογικών ιδιοτήτων όλων των σκονών ελαιοπυρήνα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των συνθέτων υλικών με μήτρα το PLA. Προσδιορίστηκαν διαφορετικού τύπου πυκνότητες και η διασπορά του μεγέθους των κόκκων. Έγινε θερμική ανάλυση με δοκιμή θερμοζυγού (TGA), μορφολογικός χαρακτηρισμός με χρήση ηλετρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) καθώς και χαρακτηρισμός με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT IR) και ακτίνων-Χ. Αφού ολοκληρώθηκε ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της ενισχυτικής φάσης, στη συνέχεια κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά μήτρας PLA ενισχυμένα με τους κόκκους ελαιοπυρήνα σε διαφορετικές περιεκτικότητες. Η προετοιμασία των σύνθετων αυτών υλικών πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια. Αρχικά έγινε μια πρώτη μορφοποίηση με εξώθηση (extrusion). Τα σύνθετα υλικά που προέκυψαν από την εξώθηση που ήταν στη μορφή δισκίων (pellets) χαρακτηρίστηκαν και αυτά με διάφορες τεχνικές (WAXD, DSC, TGA). Τα σύνθετα υλικά υπό μορφή δισκίων για να αποκτήσουν την τελική τους μορφή ως δοκίμια κατάλληλα για μηχανικές δοκιμές κατά τα πρότυπα ISO 527, μορφοποιήθηκαν με έγχυση (Injection molding). Τα σύνθετα υλικά στην τελική τους μορφή χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές (WAXD, DSC, TGA), έγινε χαρακτηρισμός των μηχανικών τους ιδιοτήτων και μορφολογική παρατήρηση των επιφανειών τους ύστερα από την μηχανική τους αστοχία (SEM). Τέλος, σε πολλά από τα σύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά, εφαρμόστηκαν διαφορετικά ημιεμπειρικά μοντέλα ανάλυσης και πρόβλεψης της μηχανικής τους συμπεριφοράς. Στο κυρίως κείμενο της διδακτορικής διατριβής, περιγράφεται σε ξεχωριστό κεφάλαιο το σύνολο των θεωρητικών μοντέλων που εφαρμόστηκαν στα πειραματικά αποτελέσματα. Στα επιμέρους κεφάλαια που παρουσιάζονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα, παρατίθενται η σύγκρισή τους με τις αντίστοιχες προβλέψεις που πρόεκυψαν από την εφαρμογή των θεωρητικών μοντέλων. Από τη σύγκριση αυτή παρατηρούμε ότι τα θεωρητικά μοντέλα που εφαρμόστηκαν που είναι το μοντέλο πρόβλεψης του μέτρου ελαστικότητας κοκκωδών υλικών, ΜPM (Modulus Predictive Model), το μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης ιδιοτήτων ύστερα από διαφορετικές είδους καταπονήσεις (θερμική κόπωση, κρούση χαμηλής ενέργειας και του ρυθμού παραμόρφωσης σε κάμψη τριών σημείων), RPM (Residual Properties Model) και το μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης της αντοχής των υλικών ύστερα από κρούση, Residual Strength after Impact Model (RSIM), έδωσαν ικανοποιητικές προβλέψεις για την μεταβολή των ιδιοτήτων κάνοντας χρήση ελάχιστων μόνο πειραματικών σημείων. Στην παρούσα διατριβή συνδυάστηκαν δύο διαφορετικού τύπου πολυμερικές ρητίνες με πληθώρα ενισχυτικών υλικών για την κατασκευή και μελέτη της μηχανικής τους συμπεριφοράς, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά με την εφαρμογή ημιεμπειρικών μοντέλων πρόβλεψης και ανάλυσης. Για την κατασκευή των δοκιμίων, ανάλογα με τον τύπο του υλικού της μήτρας και της ενίσχυσης, εφαρμόστηκαν διαφορετικές τεχνικές και σύνθετες πειραματικές διαδικασίες. Ενώ, για την μελέτη των μηχανικών, θερμομηχανικών και μορφολογικών τους ιδιοτήτων εφαρμόστηκε σημαντικός αριθμός διαφορετικών τεχνικών χαρακτηρισμού.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nimertis_Koutsomitopoulou(phys).pdf16.54 MBAdobe PDFView/Open

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