Structure and properties of crosslinked high density polyethylene nanocomposite materials

Abstract

The aim of this work was to enhance the properties of an industrial polymer, cross-linked high density polyethylene, with the incorporation of nanomaterials. The selected reinforcing nanomaterials were multiwall carbon nanotubes, nanodiamonds and combinations them. As the primary use of that particular polymer is for pipes for geothermal applications, we mainly focused on the enhancement of the mechanical properties and thermal conductivity. By using various physicochemical characterization techniques and subsequent analysis of the experimental data, the following conclusions were drawn: the addition of multiwall carbon nanotubes and nanodiamonds leads to significant enhancement of crosslinked high density polyethylene’s mechanical properties (elastic modulus, yield and ultimate strength, toughness) which is achieved in different ways and presents different trends. The significant thermal conductivity enhancement is also achieved in different ways for the different types of nanoparticles. The incorporation of both types nanofillers in that particular polymer results in a less significant enhancement of both the mechanical properties and thermal conductivity. In the present thesis, several internal microstructure-property models have been developed which successfully explain the observed macroscopic properties of these materials.

Σκοπός της διατριβής ήταν να ενισχυθούν οι ιδιότητες ενός βιομηχανικού πολυμερούς, του δικτυωμένου υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλενίου με προσθήκη νανοϋλικών. Συγκεκριμένα επιλέχθηκαν οι νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων, τα νανοδιαμάντια και συνδυασμοί αυτών ως νανοπρόσθετα ενισχυτικά υλικά. Λόγω του ότι η κύρια χρήση του συγκεκριμένου πολυμερούς είναι οι σωλήνες γεωθερμίας, επιχειρήθηκε η ενίσχυση κυρίως των μηχανικών του ιδιοτήτων και της θερμικής του αγωγιμότητας. Με χρήση διάφορων φυσικοχημικών τεχνικών χαρακτηρισμού και με ακόλουθη ανάλυση των πειραματικών δεδομένων προέκυψαν τα εξής συμπεράσματα: η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων ή νανοδιαμαντιών οδηγεί σε σημαντική ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων (μέτρο ελαστικότητας, αντοχή στο όριο διαρροής και θραύσης, δυσθραυστότητα) του πολυμερούς με διαφορετικούς τρόπους και διαφορετικές τάσεις. Επίσης με διαφορετικούς τρόπους επιτυγχάνεται η ενίσχυση της θερμικής αγωγιμότητας του πολυμερούς όταν σε αυτό προστίθενται ποσότητες των συγκεκριμένων νανοϋλικών. Η προσθήκη και των δύο τύπων νανοπρόσθετων στο συγκεκριμένο πολυμερές επιφέρει μικρότερη ενίσχυση τόσο των μηχανικών ιδιοτήτων όσο και της θερμικής αγωγιμότητας. Αναπτύχθηκαν διάφορα πρωτότυπα μοντέλα εσωτερικής μικροδομής-ιδιοτήτων για τα νανοσύνθετα πολυμερικά συστήματα που παρασκευάστηκαν, τα οποία ερμηνεύουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις μακροσκοπικά παρατηρούμενες ιδιότητες των συγκεκριμένων υλικών.