SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS ANYAGOKPolimer mátrixú nanokompozitok

Szebényi GáborEgyetemi tanársegéd

Budapest 2011. december 13.

NNA-P3-T1

Fő kutatási irányok

Nanokompozitok

Hibrid nanokompozitok

Nanoszálak

Nanostrukturált hibrid gyanták

Önjavító rendszerek

NNA-P3-T1 2/38

Polimer nanokompozitok a gyakorlatban

3/38

Rétegszilikátok – Montmorillonit

Fizikai tulajdonságok

Fajlagos felület: <750 m2/g

E=180-260 GPa

Rétegtávolság: 1-3 nm

Rétegvastagság: 0,98 nm

Nedvszívó

4/38

Szén nanocsövek

Tulajdonság Mértékegység SWCNT MWCNT

Fajlagos felület [m2/g] 1300 200

Sűrűség [g/cm3] 0,8 1,8

Húzó rugalmassági modulus [TPa] ~1 ~0,3-1

Szakító szilárdság [GPa] 50-500 10-60

Sza

kító

szilá

rdsá

g [G

Pa]

5/38

Grafén

Tulajdonság Mértékegység Grafén

Fajlagos felület [m2/g] 2630

Sűrűség [g/cm3] 0,8

Húzó rugalmassági modulus [TPa] ~1

Szakító szilárdság [GPa] 130

6/38

Nanokompozitok előállítása

nagy nyíróerővel (mátrix: ömledék állapotban)

In situ polimerizáció (mátrix: monomer formában)

Oldószeres eljárás (mátrix: oldott állapotban)

Polimer nanokompozitokNanokompozit: olyan polimer rendszer, melyben a folytonos polimer fázis mellett minimum egy dimenzióban nanométeres (1-200 nm) heterogenitás található.A tulajdonságok javulásának egyik alapfeltétele a nanorészecskék homogén diszperziójának létrehozása, eloszlatása a mátrix polimerben.

7/38

Hibrid kompozitnak nevezünk minden olyan erősített rendszert, amely többféle erősítő-, vagy mátrixanyagot tartalmaz.

Többfalú szén nanocső (MWCNT, Baytubes BT 150 HP)

Szénszál(Zoltek PX35 FBUD0300)

Mátrixanyag:Epoxigyanta

Epoxigyanta + vinilészter

8/38

Közvetlen keverés hengerszéken

Előnye: termelékeny, hatékony

Hátránya: kb. 1 Pas alsó viszkozitás korlát

FM-20 lamináló gyanta, 25°C hőmérsékleten

FM-20 lamináló gyanta + 0,5 tömeg% MWCNT 9/38

MWCNT-k eloszlatása alacsony viszkozitású gyantákban

Kiindulási viszkozitás 0,1 Pas

Termelékenység és hatékonyság fenntartása

Közvetlen keverés erős nyírású zárt keverőben (DM)

Mesterkeverékes keverés (MB)

10/38

AH-12 – T-58 epoxigyanta + 0,3 tömeg% mesterkeverékes technológiával (MB) eloszlatott MWCNT

Mesterkeverékes technológiával előállított minta vizsgálata TEM-mel

11/38

FM-20 – T-16 epoxigyanta + 2 tömeg% MWCNT elektronbesugárzása

Besugárzási paraméterek: 8 MeV elektron energia100 kGy besugárzási dózis10 Gy/s dózissebességLégköri körülmények

A – kezeletlen minta B – besugárzott minta

12/38

Vinilészter elektronbesugárzással iniciált térhálósítása

A vinilészter térhálósodása elektronbesugárzás hatására erősítetlen próbatestekben

1630

50 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE

100 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE

Besugározatlan EP+10 m% VE

25 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE

13/38

Hibrid kompozitok mechanikai tulajdonságai

14/38

Hagyományosan (a) és elektronsugárzással (b) térhálósított 0,3 tömeg% szén nanocsövet és 50 tömeg% vinilésztert tartalmazó

epoxigyanta AFM fázis felvétele

a) b)

Hibrid kompozitok mechanikai AFM felvételei

15/38

I. törési mód II. törési mód III. törési mód

Próbatest

AE érzékelő

Skála a vizuális repedéskövetéshez

Befogófül

Rögzítőcsap

Közvetítő elem

Befogószerkezet

A mérési elrendezés

16/38

17/38

Termoplasztikus elasztomerek I.Hő hatására könnyen, reverzibilisen felbontható fizikai térháló

A szegmensek termodinamikailag összeférhetetlenek

Két fő csoport:Keverékek

Blokk-kopolimerek

18/38

Egyesítik két anyagcsoport előnyös tulajdonságait:Rugalmas viselkedés felhasználási hőmérsékleten, de

Megolvaszthatók, ömleszthetők (fröccsönthetők, extrudálhatók)

Nagyon jól társíthatók más anyagokkal

Fém- és kerámia felületen is jól tapadnak

Egyszerűbb újrahasznosíthatóság

Nincs szükség bonyolult receptúrára

Hátrányaik:Kúszás és feszültségrelaxáció

Gyenge vegyszer- és hőállóság

Alacsony hőstabilitás

Drágább alapanyag

Korom nem használható töltőanyagként

Termoplasztikus elasztomerek II.

19/38

Társítás nanorészecskékkelRétegszilikátok:

Kisebb elasztomer részek, jobb homogenitás

Rugalmassági modulusz, folyáshatár növekedés

Jelentős csökkenés a hőtágulási együtthatóban

Szén nanocsövek:Szakító szilárdság, rugalmassági modulusz, folyáshatár növekedés

Grafén:Üvegesedési, olvadási, bomlási hőmérséklet növekedés

Szakító szilárdság, rugalmassági modulusz növekedés

Hőstabilitás javítása, égésgátlás, lángkioltó képesség

Alumínium-oxid-hidroxid:Rugalmassági modulusz, szakadási nyúlás növekedés

Bomlási hőmérséklet növekedés 20/38

Társítás nanorészecskékkel II.

21/38

Próbatestek készítése és vizsgálata

Vizsgálatok:Szakítóvizsgálat, kezdeti hiszterézissel

Pásztázó elektronmikroszkópia

Alapanyagok:

TPE MMT CNT GNP AlO(OH)

Próbatestek gyártásának lépései:Belső keverő

Préselés

Piskóta próbatestek kivágása

22/38

23/38

Elektronmikroszkópos felvételek I.

TPE TPE+GNP TPE+CNT

TPE TPE+GNP TPE+CNT 24/38

Elektronmikroszkópos felvételek II.

TPE+AlO(OH) TPE+AlO(OH) TPE+AlO(OH)

TPE+MMT TPE+MMT TPE+MMT 25/38

Az elektro-szálképzés (electrospinning)Az elektro-szálképzés (electrospinning)Jellemző szálátmérő: 10 nm - 5 µm között, jól szabályozható

(Szabad szemmel jellemzően nem is látható)

Szálhossz: Potenciálisan végtelen (szálvégek nem kimutathatók)

Struktúra: Jellemzően rendezetlen szálpaplan, szálak között kötéspontok(Előnyös: nem rákkeltő, nincsen szilikózis veszély, egészségre ártalmatlan, hagyományos textilipari eljárásokkal feldolgozhatók)

Alapanyag:Polimerek, adalékolt polimerek, stb.Az alapanyag rendszerint oldat, de lehet ömledék is

Az eljárás: A szálak nyújtására a hagyományos szálképzési eljárásokkal szemben nem mechanikai, hanem elektrosztatikus erőket használ fel.

Már 1902-ben felfedezték, de csak az utóbbi évekbenvált jelentős kutatási területté:

Szűréstechnika, gyógyszerkészítmények, mesterséges szövetek vázanyaga, szenzorok, napelemek stb.

26/38

NNA-P3-T1

A szálképzés rendszerint cseppből történik. A csepp az elektrosztatikus erők hatására megnyúlik, a hegyén kilép egy folyadéksugár, ami elvékonyodik. Az oldószer elpárolog és a folyadéksugár szálakká szilárdul.A fellépő instabilitások hatására a szálak véletlenszerűen rakódnak le a földelt gyűjtő-elektródára.

27/38

Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása nanoszálakkalnanoszálakkal

A rétegek közé helyezett nanoszálas minták vizsgálata dinamikus behatások esetén.

-Kompozitokban alkalmazva nem okoz jelentős tömegnövekedést, vagy méretváltozást, ha mikroszálas rétegek közé nanoszálas rétegeket helyezünk-A nanoszálak és nanopórusok kiválóan gátolják a -repedésterjedést és a delaminációtSzénszálerősítésű epoxi + poliakrilnitril nanoszálas szálpaplan

28/38

Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása nanoszálakkal – ejtődárdás vizsgálatoknanoszálakkal – ejtődárdás vizsgálatok

Perforációs energia (vastagsággal korrigált érték):

Nanoszálas minta: 1,76 ± 0,13 J/mm

Referencia minta: 1,25 ± 0,11 J/mm

Ami 41%-os, szignifikáns növekedést jelent!

A perforációhoz tartozó behatolási mélység (feltételezve, hogy a dárda nem lassul le jelentősen a lyukasztás során):

Nanoszálas minta: 5,45 ± 0,15 mm

Referencia minta: 4,57 ± 0,20 mm

Ami közel 20%-os növekedést jelent!

1 g/m^2 nanoszál behelyezése után, tehát a tömeg gyakorlatilag nem növekedett meg. A nanoszálas rétegközi társítás képes szívósabbá tenni CF/EP kompozitokat dinamikus igénybevételek esetében.

29/38

Változtatható paraméterek: elhúzási sebesség, oldat térfogatáram, szálképzési köz, tápfeszültség, tekercselő magassága, stb.

A végeredmény egy nanoszálas fonal, ami a hagyományos textilipari technológiákkal: szövés, fonatolás stb. feldolgozható. A tulajdonságai tág határok között szabályozható.

Egyedi elektro-szálképző berendezés fonalak folytonos üzemű előállításához

30/38

Nanoszálas szálkötegek és fonalak előállítása

Kimutattuk, hogy speciális kialakítású folyadék-szálgyűjtő elektróda eredményesebb, mint az irodalomban tárgyaltak.

A szálak tönkremeneteli folyamatát egy számítógépes modellel elemeztük és arra a következtetésre jutottunk, hogy a nanoszálas anyagok tönkremenetele eltér a mikroszálas anyagokétól, ami a leendő termékek méretezésében is eltérést jelenthet.

31/38

Fonalminták előállításaAlapanyagként poliakrilnitrilt használunk (PAN), ami a hagyományos szénszálgyártás legnépszerűbb alapanyaga.

Akár 3 méter/perc előállítási sebesség a laboratóriumi méretű berendezéssel, folytonos üzemmódban!

A szén nanocső-töltés teszi lehetővé a nagyobb elhúzási sebességeket, nem szakad el a fonal. Emellett a szálakat is erősítik, esetleg javíthatják a grafitosodási hajlamot

Igazoltuk, hogy a szén nanocsövek (kb. 10 nm átmérő) a szálképzés során a nanoszálak (kb. 100-500 nm) átmérő belsejébe kerülnek.

32/38

Nanoszálas szálkötegek és fonalak előállításaSpeciális kialakítású, saját fejlesztésű folyadék-szálgyűjtő elektróda és megfelelő elhúzás alkalmazásával nagyfokú szálorientáció érhető el.

A PAN fonalból oxidációval majd karbonizációval szén nanoszálakat állíthatunk elő a hagyományos szénszálgyártáshoz hasonló módon.

A szálátmérő jellemzően 350 nm (az oxidációt megelőzően) a fonal struktúrán belül.

Az oxidáció során jelentős orientáció-növekedés érhető el. A fonal hosszát tekintve akár kétszeresére is nyújtható.

33/38

Fonal keresztmetszete (SEM)

PAN PAN+0,5% MWCNT 34/38

Egy nanoszerkezetű, szénszálas erősítőanyagot állítunk elő, ami alternatívája lehet a hagyományos szénszálaknak és hagyományos technológiákkal feldolgozható, valamint üzemi méretekben is előállítható.

A kutatások során foglalkozunk:

-az egyedi nanostruktúra kialakításával,-mechanikai tulajdonságok optimálásával,-a tönkremeneteli folyamatok mechanikai leírásával-a karbonizációval, mint thermokémiai eljárással,-a termék nagyüzemi gyártásának megalapozásával- nanoszálas szerkezetek kompozitipari alkalmazásaival

35/38

Önjavító rendszerek

36/38

Önjavító rendszerek

37/38

Köszönöm a figyelmet!

NNA-P3-T1