Polymer nanocomposites prepared by ultrasonic welding

Abstract

Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός μιας νέας τεχνολογίας, βασισμένη στη συγκόλληση υπερήχων, για την κατασκευή νανοσύνθετων φύλλων πολυμερών (ραφών) που αποτελούνται από στρωματικές διατάξεις με ομοιόμορφα διασκορπισμένα στρώματα διαφόρων νανοσωματίδιων και μικρο-ινών. Η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη σχεδίαση, την κατασκευή και την ανάλυση τεσσάρων διαφορετικών τύπων νάνο και μικρο-σύνθετων πολυμερών υλικών, με διάφορες συγκεντρώσεις ενσωματωμένων σωματιδίων. Για τους σκοπούς του πειραματικού μέρους, χρησιμοποιήθηκαν φύλλα πολυ-βινυλοχλωριδίου (PVC) και κυτταρίνης (CA). Τα ενσωματωμένα σωματίδια περιλάμβαναν οξείδια του σιδήρου, νανοσωληνίσκους άνθρακα και σωματίδια παλλαδίου σταθεροποιημένα σε διάφορους διαλύτες συμβατούς με την πολυμερική μήτρα, καθώς και πλέγματα ηλεκτροκλωσμένων μικροϊνών κυτταρίνης. Η προτεινόμενη διεργασία σύνθεσης των σύνθετων φύλλων πολυμερούς αποτελείται από δύο βασικά στάδια καθώς, αρχικά τα αιωρήματα των νανοσωματίδιων και οι μικρο-ίνες κατανέμονται ομοιόμορφα στις επιφάνειες των φύλλων πολυμερούς ενώ στη συνέχεια ακολουθεί συγκόλληση ραφής υπερήχων. Τα σύνθετα υλικά μελετήθηκαν αναφορικά με τη μικροσκοπική τους δομή και την έκταση της διάχυσης των σωματιδίων μέσα στην μήτρα του πολυμερούς, ενώ στη συνέχεια ακολούθησε ανάλυση άλλων ιδιοτήτων όπως μαγνητικές και μηχανικές ιδιότητες συμπεριλαμβανομένης και της ιξωδοελαστικής τους παραμόρφωσης. Ιδιαίτερα προχώρησε η έρευνα αναφορικά με την ανάλυση των υλικών νανοσύνθετων φύλλων πολυμερικής μήτρας με ενσωματωμένα μαγνητικά νανοσωματίδια. Οι προκύπτουσες ιδιότητες των νέων νανοσύνθετων υλικών δύναται να χρησιμοποιηθούν για ποικιλία εφαρμογών. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι τα παραχθέντα υλικά αξιολογήθηκαν από την εταιρεία Elysee Irrigation Ltd και ένα εξ αυτών θεωρήθηκε ως χρήσιμο για περαιτέρω έρευνα και χρήση σε αγωγούς αποχέτευσης και προστασίας καλωδίων στο έδαφος, καθώς λόγω των μαγνητικών του ιδιοτήτων μπορεί να ανιχνευθεί η θέση των αγωγών στο υπέδαφος. Περαιτέρω, αναπτύχθηκαν δυο μαθηματικά μοντέλα για την κατανόηση βασικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της σύνθεσης των υλικών αυτών με την εν λόγω μέθοδο. Τα μαθηματικά μοντέλα αυτά αποτελούν τη βάση για υπολογιστική προσομοίωση αναφορικά με τον έλεγχο των διεργασιών και των ιδιοτήτων των παραγόμενων με τη μέθοδο της συγκόλλησης υπερήχων, νάνο και μικρο-πολυμερών υλικών. Η έρευνα υλοποιήθηκε στο Τμήμα Μηχανικών Μηχανολογίας και Κατασκευαστικής του Πανεπιστημίου Κύπρου, τη χρονική περίοδο 2005-2015, και συγκεκριμένα στο Εργαστήριο Μικρο- & Νανο-Συστημάτων. Χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα του Ιδρύματος Προώθησης Έρευνας (ΙΠΕ), "Δέσμη προγραμμάτων 2003-2005", ΠΕΝΕΚ - Δράση Ενίσχυση, με θέμα τα Νανοσύνθετα Πολυμερή Υλικά με Συγκόλληση Υπερήχων (ΝΑΝΟΠΛΑΣΗ), και συγχρηματοδοτήθηκε από τα Πανεπιστήμια Κύπρου, University of Massachusetts Lowell (UML), State University of New York - Stony Brook (SUNY-SB) και τον τελικό χρήστη την εταιρεία Elysee Irrigation Ltd.

The main objective of this thesis is to develop and characterize a novel production process, based on ultrasonic welding, for manufacturing polymer nanocomposite foils/joints with intermediate "sandwiched" layers of nanoparticles and micro-fibers uniformly dispersed. The thesis includes the design, fabrication and analysis of four different types of polymer nano- and micro-composite materials with various concentrations of embedded particles. For purposes of the experimental part of this thesis, poly-vinyl chloride and cellulose acetate foils are used. The embedded particles include iron oxides, carbon nanotubes, and palladium nanoparticles stabilized in various liquid carries compatible with the polymeric matrix, as well as electrospun micro-fibers. The proposed synthesis process of polymer nano/micro-composite foils consists of two basic steps; at first the nanoparticle suspensions and micro-fibers are uniformly distributed over the surfaces of the polymer foils, while the second step follows; this is the ultrasonic seam welding. The nano/micro-polymer composites were studied with regards to their microscopic structures (e.g. the dispersion of the nanoparticles and micro-fibers within their matrix), followed by the analysis of their magnetic and mechanical properties, including their response to viscoelastic deformation. Particularly research progress was achieved in the manufacture and analysis of the polymer nanocomposite foils with embedded magnetic nanoparticles. The resulting properties of those novel nanocomposite materials could be potentially used for a variety of applications. It is important to mention that the produced materials were evaluated by Elysee Irrigation Ltd, and the magnetic-containing series was considered to be useful for further research and use in sewage pipes and underground cable protection, since due to their magnetic properties their position can be detected in the subsoil. Further, two mathematical models were developed for understanding basic processes that take place during the synthesis of such materials with the proposed method. Mathematical models could be used as the basis for further computational simulations in the control of processes and properties of the produced micro and nano-polymer materials. This thesis was carried out in the Department of Mechanical and Manufacturing Engineering of University of Cyprus, in the period 2005 to 2015, particularly in the Micro- and Nano-Systems Laboratory. The work was funded by the Research Promotion Foundation (RPF), under "2003-2005 programs" (Support Action PENEK), titled Polymer Nanocomposite Materials by Ultrasonic Welding (Nanoplasi), and co-funded by the University of Cyprus, the University of Massachusetts Lowell (UML), the State University of New York-Stony Brook (SUNY-SB) and an end-user, Elysee Irrigation Ltd.