Ανάπτυξη και εφαρμογή συνθέτων υλικών φιλικών προς το περιβάλλον

Abstract

The first experimental part of the present investigation pertains to the existent possibilities of the fibrous natural material Luffa Cylindrica (LC) as reinforcement to epoxy thermoset resins (ER). The main purpose was the manufacturing of an engineering material that could contribute to a more sustainable world. In an effort to optimize the final mechanical properties, semi- green ER/LC composites were manufactured, by applying a number of different manufacturing parameters combinations. These manufacturing parameters, were: (a) various chemical treatments; (b) the external applied pressure during curing; (c) the number of the plies; (d) the stacking sequence effect; (e) the structural characteristics of LC; and (f) the influence of fiber weight fraction on composite’s behavior. Elastic flexural response of the composite was found to be improved, with respect to neat polymer’s response, due to the nature of the fibers and the applied manufacturing optimization process. This improvement was reflected to material’s stiffness which found to be increased by 48% for a mechanically applied pressure of 4.6 kPa during curing. Additionally, LC fibers chemically treated with Acetone/ 1 % CH3COOH, led to an improvement in stiffness up to 30%. In a second experimental part of this work and in a new series of experiments, an environmentally friendly epoxy adhesive is developed using commercially available materials, exhibiting a 12% increase in green carbon content and 22% increase in shear strength. The commercial eco-friendly epoxy system is then reinforced with dry olive pit powder in order to produce an eco-friendly composite adhesive.The behavior of these two materials is investigated when these are used as adhesives in lap joints, and their main shear properties are determined. In order to manufacture adhesively bonded joints using a thick layer of liquid resin without any pre-curing step, therefore achieving improved properties two casting-like designs of the overlap area are made and tested, one in a single-modulus configuration and a second one in a mixed-modulus mode. When an eco-friendly epoxy adhesive is applied on each edge of the mixed modulus mode instead of a fossil-based epoxy adhesive, a 30% increase in shear strength is observed. The Property Predictive Model, a modification and extension of the Modulus Predictive Model, is applied, allowing the accurate prediction of the strength and strain of a series of particulate composite adhesive materials. When the model is applied to the aforementioned composites, it proves to be capable of accurately predicting these main shear properties.Natural fiber-reinforced thermosetting composites exhibit excellent properties but, due to the usually hygroscopic nature of the fibers, these composites may suffer from the effects of moisture absorption. Luffa cylindrica is a natural fiber, potentially useful in the manufacture of composite materials, but it is extremely hygroscopic, so, in a third experimental part of this work, a technology was developed for the fabrication of moisture-resistant Luffa cylindrica reinforced epoxy composites and the various parameters that affect the process are investigated using long-term moisture absorption experiments and Dynamic Mechanical Analysis of the dry and moist specimens. This technology concludes to a LC-reinforced bilayer matrix made of a first linseed oil-modified epoxy and a final unmodified epoxy layer. The produced composite offers a reduced by 33% absorbance and a practically identical Tg, compared to the Luffa-cylindrica-reinforced pure epoxy. The same technology is used to manufacture water-resistant Luffa cylindrica-reinforced composites from both, environmentally friendly matrix and reinforcement.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν κατ’ αρχάς οι δυνατότητες του ινώδους φυσικού υλικού Luffa Cylindrica (LC) να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση θερμοσκληρυνόμενων ρητινών εποξικής ρητίνης (ER) με σκοπό την κατασκευή ενός μηχανολογικού υλικού που θα συνεισφέρει σε έναν πιο βιώσιμο κόσμο. Προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι τελικές μηχανικές ιδιότητες, κατασκευάστηκαν «ημι-πράσινα» σύνθετα ER/LC, εφαρμόζοντας έναν αριθμό διαφορετικών συνδυασμών κατασκευαστικών παραμέτρων. Οι παράμετροι παρασκευής που ελήφθησαν υπόψη και που μελετήθηκε η επίδρασή τους στη συμπεριφορά του σύνθετου υλικού, ήταν: α) διάφορες χημικές επεξεργασίες ινών, (β) η εξωτερικά εφαρμοζόμενη πίεση κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, γ) ο αριθμός των στρώσεων, (δ) η αλληλουχία στοίβαξης, ε) τα δομικά χαρακτηριστικά της LC και (στ) η επίδραση του κλάσματος βάρους των ινών. Η απόκριση της ελαστικής κάμψης του σύνθετου υλικού βρέθηκε βελτιωμένη σε σχέση με την απόκριση του καθαρού πολυμερούς λόγω της φύσης των ινών και της διαδικασίας βελτιστοποίησης της εφαρμοζόμενης κατασκευής. Η βελτίωση αυτή αντανακλάται στην δυσκαμψία του υλικού, η οποία αυξήθηκε κατά 48% για μηχανικά εφαρμοζόμενη πίεση 4,6 KPa κατά τη διάρκεια της ωρίμανσης. Επιπλέον, οι ίνες LC οι οποίες υποβλήθηκαν σε χημική επεξεργασία με ακετόνη / CH3COOH 1% κ.β. οδήγησαν σε βελτίωση της ακαμψίας έως και 30%.Επίσης, σε μια άλλη προσπάθεια, αναπτύσσεται ένα νέο, φιλικό προς το περιβάλλον εποξικό συγκολλητικό, χρησιμοποιώντας υλικά που διατίθενται στο εμπόριο και επιτυγχάνει 12% αύξηση στην περιεκτικότητα σε πράσινο άνθρακα και 22% αύξηση στην αντοχή στη διάτμηση.Το φιλικό προς το περιβάλλον εποξικό αυτό σύστημα του εμπορίου, στη συνέχεια, ενισχύεται με ξηρή σκόνη ελαιοπυρήνων προκειμένου να δώσει ένα φιλικό προς το περιβάλλον σύνθετο συγκολλητικό. Μελετάται η συμπεριφορά αυτών των δύο υλικών όταν χρησιμοποιούνται ως κόλλες σε συνδέσμους και προσδιορίζονται οι κύριες διατμητικές ιδιότητες. Για την κατασκευή συγκολλητών συνδέσμων, με παχύ στρώμα υγρής ρητίνης, χωρίς στάδιο προ-σκλήρυνσης (προκειμένου να επιτευχθούν βελτιωμένες ιδιότητες), κατασκευάζονται και δοκιμάζονται δύο σχήματα χύτευσης της περιοχής επικάλυψης, ένα σε διαμόρφωση απλού μέτρου και ένα δεύτερο σε διαμόρφωση μικτού μέτρου. Επιτυγχάνεται επίσης, αύξηση κατά 30% της αντοχής σε διάτμηση, όταν εφαρμόζεται μια φιλική προς το περιβάλλον εποξική κόλλα σε κάθε άκρο της περιοχής συγκόλλησης στη λειτουργία μικτού μέτρου, αντί για μια εποξική κόλλα με βάση τα ορυκτά. Επιπλέον, προτείνεται και παρουσιάζεται η εφαρμογή του Μοντέλου Πρόβλεψης Ιδιοτήτων, μια τροποποίηση και επέκταση του Μοντέλου Πρόβλεψης του Μέτρου, αποσκοπώντας στην ακριβή πρόβλεψη της διατμητικής αντοχής και της παραμόρφωσης σε σειρά σωματιδιακών σύνθετων συγκολλητικών υλικών. Όταν το μοντέλο εφαρμόζεται στα προαναφερθέντα σύνθετα υλικά, αποδεικνύεται ικανό να προβλέψει με ακρίβεια τις κύριες αυτές ιδιότητες διάτμησης.Σε μια τρίτη προσπάθεια και επειδή τα ενισχυμένα με φυσικές ίνες θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα υλικά έχουν εξαιρετικές ιδιότητες, αλλά, λόγω της υγροσκοπικής φύσης των ινών, τα υλικά αυτά μπορεί να υποφέρουν από τις συνέπειες απορρόφησης υγρασίας (Η Luffa cylindrica είναι εξαιρετικά υγροσκοπική) αναπτύχθηκε μια τεχνολογία για την κατασκευή ανθεκτικών στην υγρασία εποξικών συνθέτων υλικών ενισχυμένων με LC και διερευνήθηκαν οι διάφορες παράμετροι που επηρεάζουν τη διεργασία κατασκευής χρησιμοποιώντας μακροχρόνια πειράματα απορρόφησης υγρασίας και Δυναμική Μηχανική Ανάλυση των ξηρών και υγρών δοκιμίων. Η τεχνολογία αυτή καταλήγει σε μια, ενισχυμένη με LC, μήτρα διπλής στιβάδας που κατασκευάζεται από μια πρώτη στιβάδα που αποτελείται από τροποποιημένο με λινέλαιο εποξικό σύστημα και μια τελική μη τροποποιημένη εποξική στοιβάδα. Το παραγόμενο σύνθετο προσφέρει μειωμένη απορροφητικότητα νερού κατά 33% και πρακτικά ταυτόσημη Tg, σε σύγκριση με το καθαρό, ενισχυμένο με LC, εποξικό. Η ίδια τεχνολογία εφαρμόζεται στην κατασκευή ανθεκτικών στο νερό συνθέτων υλικών ενισχυμένων με LC από φιλική προς το περιβάλλον, τόσο μήτρα, όσο και ενίσχυση.