Μελέτη της σχέσης δομής και θερμομηχανικής συμπεριφοράς με στόχο τη βελτιστοποίηση προηγμένων πολυμερικών υλικών με βάση κυανικούς εστέρες

Abstract

This PhD thesis deals with the structure-property relationships and thermomechanical behaviour of advanced polymeric nanocomposite materials, based on cyanate ester resin. The reinforcing phase was an organo-modified layered silicate, under the trade name montmorillonite. Special attention was paid to the study of the structure, viscoelastic behaviour and mechanical properties of these materials in order to optimize their performance. The major drawbacks of polycyanurate networks are low toughness at room temperature and brittleness. Therefore, in order to improve such shortcomings, modifications of the matrix with polymers containing flexible chains, like polyoxytetramethylene glycol (PTMG) and poly(urethane methacrylate) (PUMA) were also performed and studied. The structure, morphology and topology of the specimens were investigated with wide angle X-ray scattering (WAXS), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM), the overall viscoelastic behaviour, main and secondary transitions were examined with dynamic mechanical analysis (DMA) and the mechanical properties (modulus of elasticity, stress and elongation at break) were studied with tensile stress-strain tests. The modulus of elasticity of layered silicate/polymer nanocomposites was studied with three models, initially developed for conventional (Chen- Cheng model and Taya-Chou model) and/or nanocomposites (Odegard et al. model). These models were modified with the 'effective particle approach', in order to take into account the discrete nanoclay structure. This approach enables the connection between the weight fraction of the clay and the volume fraction of the effective particle, which is a function of the structural parameters of the clay. For the theoretical description of modulus, this procedure was applied to the Taya-Chou model, which estimates the stiffness of a composite containing two different types of inclusions. In our case, the two kinds of inhomogeneities were ascribed to the exfoliated sheets and the intercalated particles, respectively, each one possessing a specific percentage of the total clay weight fraction. The intercalated particles were treated as prolate inclusions, whereas the exfoliated sheets were considered fiber-like. This formalism was then implemented to experimental data of the present dissertation and to results from the literature, and revealed a method for the simultaneous quantification of the degree of exfoliation and degree of reinforcement via micromechanical modeling. A new micromechanical model was then presented, for the elastic and elastoplastic description of layered silicate/polymer nanocomposites. The model was based on previous works, dealing with the calculation of the stiffness matrix of composite materials (Chen-Cheng model), and the prediction of the elastoplastic behaviour of inhomogeneities embedded in a homogeneous matrix (Kroner, Budiansky and Wu's self-consistent model). Following this approach, the macroscopic properties of the composite material are linked with the microstructural parameters of the effective particle. The elastic and plastic deformation of the matrix and the inclusions were separated according to the kinematic description developed by Rubin. This model was then applied to simulate experimental results taken from the present work and the literature, and it was proven that it can successfully describe the non-linear (elastoplastic) behaviour of nanocomposite materials.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η σχέση δομής και θερμομηχανικής συμπεριφοράς με στόχο τη βελτιστοποίηση προηγμένων πολυμερικών υλικών τα οποία έχουν μήτρα ρητίνη κυανικού εστέρα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της δομής και της μορφολογίας, της τοπολογίας, της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς και των μηχανικών ιδιοτήτων νανοσύνθετων υλικών πολυκυανουρικών πλεγμάτων/φυλλόμορφων πηλών. Μελετήθηκαν ακόμη τροποποιήσεις της μήτρας με εύκαμπτες πολυμερικές αλυσίδες, όπως η πολυοξυτετραμεθυλενική γλυκόλη (PTMG) και η πολυ(μεθακρυλική ουρεθάνη) (PUMA) η οποία δημιουργεί συνδεδεμένα διαπλεκόμενα δίκτυα με τη ρητίνη του κυανικού εστέρα, προκειμένου να βελτιωθούν βασικά μειονεκτήματα των πολυκυανουρικών πλεγμάτων, όπως η μικρή ανθεκτικότητα σε θερμοκρασία δωματίου και η ψαθυρότητα. Οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η σκέδαση ακτινών X υπό ευρεία γωνία, η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης, για τη μελέτη της δομής, της μορφολογίας και της τοπολογίας των δοκιμίων, η δυναμική μηχανική ανάλυση για τη μελέτη της συνολικής ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς και των κύριων και δευτερευουσών μεταβάσεων και οι μετρήσεις τάσης-παραμόρφωσης για τη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών (μέτρο ελαστικότητας, τάση και παραμόρφωση θραύσης). Το μέτρο ελαστικότητας νανοσύνθετων υλικών πολυμερούς/φυλλόμορφων πηλών μελετήθηκε με τρία μοντέλα που είχαν προταθεί για συμβατικά σύνθετα (Chen-Cheng και Taya-Chou) ή/και για νανοσύνθετα (Odegard et al.) και τροποποιήθηκε μέσω της προσέγγισης του 'ενεργού σωματιδίου' ούτως ώστε να ληφθεί υπόψη η ξεχωριστή δομή του νανο-πηλού. Η προσέγγιση αυτή συνδέει τις περιεκτικότητες κατά βάρος του ενισχυτικού και κατ' όγκο του ενεργού σωματιδίου, συναρτήσει των δομικών παραμέτρων του πηλού. Για τη θεωρητική περιγραφή του μέτρου ελαστικότητας, η παραπάνω διαδικασία εφαρμόστηκε στο μοντέλο Taya-Chou, το οποίο υπολογίζει την ακαμψία ενός σύνθετου με δύο διακριτούς τύπους εγκλεισμάτων. Οι δυο τύποι των εγκλεισμάτων ήταν τα αποφολιδωμένα φυλλίδια και τα παρεμβεβλημένα σωματίδια αντίστοιχα, με τον καθένα να καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο ποσοστό της συνολικής κατά βάρος περιεκτικότητας του ενισχυτικού. Τα παρεμβεβλημένα σωματίδια θεωρήθηκαν επιμήκη εγκλείσματα και τα αποφολιδωμένα φύλλα ινώδη εγκλείσματα. Το μοντέλο αυτό εφαρμόστηκε σε πειραματικά δεδομένα της παρούσας διατριβής και σε αποτελέσματα της βιβλιογραφίας και ανέδειξε μια μέθοδο ποσοτικοποίησης του βαθμού αποφολίδωσης μέσω της μικρό μηχανικής μοντελοποίησης. Παρουσιάστηκε επίσης ένα νέο μικρομηχανικό μοντέλο για τη διατύπωση της ελαστικής και της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς νανοσύνθετων υλικών πολυμερούς/φυλλόμορφων πηλών. Το μοντέλο βασίστηκε σε δύο προηγούμενες θεωρίες, για τον προσδιορισμό του μητρώου ακαμψίας σύνθετων υλικών (μοντέλο Chen-Cheng) και για την πρόβλεψη της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς ανομοιογενειών σε ομογενή μήτρα (αυτο-συμβατό μοντέλο Kroner, Budiansky και Wu). Με την προσέγγιση αυτή, οι μακροσκοπικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού συνδέονται με τις παραμέτρους της μικροδομής του φυλλόμορφου πηλού. Η ελαστική και η πλαστική παραμόρφωση της μήτρας και των εγκλεισμάτων διαχωρίστηκαν με βάση την κινηματική περιγραφή του Rubin. Το μοντέλο αυτό εφαρμόστηκε σε πειραματικά δεδομένα νανοσύνθετων πολυμερούς/φυλλόμορφων πηλών, παρμένα είτε από την παρούσα διατριβή είτε από τη βιβλιογραφία, και αποδείχθηκε ότι μπορεί να περιγράφει με επιτυχία τη μη-γραμμική (ελαστοπλαστική) συμπεριφορά νανοσύνθετων υλικών.