Ανάπτυξη και μελέτη νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας πολυπροπυλενίου με νανοδομές TiO2

• Κύριος συγγραφέας: Βισβίνη, Γλυκερία
• Άλλοι συγγραφείς: Καραχάλιου, Παναγιώτα
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2019
• Θέματα: Σύνθετα υλικά; Νανοδιηλεκτρικά; Πολυπροπυλένιο; Διοξείδιο του τιτανίου; Ηλεκτρική αγωγιμότητα; Χαλαρώσεις; Composites; Nanodielectrics; Polypropylene; TiO2; DSC; ATR; XRD; Electrical conductivity; Relaxations; 620.192

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η παρασκευή και μελέτη νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας. Πρόκειται για μία κατηγορία σύνθετων υλικών, τα οποία αποτελούνται από μία πολυμερική μήτρα και στα οποία μία ή και περισσότερες από τις διαστάσεις της ενισχυτικής φάσης βρίσκεται στην περιοχή των νανομέτρων (τυπικές διαστάσεις μέχρι 100nm). Τα υλικά αυτά συγκεντρώνουν έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον, καθώς οι χαρακτηριστικές ιδιότητες που εμφανίζουν τα κάνουν να ξεχωρίζουν από τα κοινά σύνθετα υλικά και τους δίνουν τη δυνατότητα να αξιοποιηθούν σε πληθώρα τεχνολογικών εφαρμογών. Ως πολυμερική μήτρα επιλέχθηκε το ισοτακτικό πολυπροπυλένιο (PP). Είναι ένα θερμοπλαστικό πολυμερές πολυολεφίνης, χαμηλής πυκνότητας, ημικρυσταλλικό με αρκετά υψηλό βαθμό κρυσταλλικότητας και σημείο τήξεως. Πρόκειται για πολυμερές ευρείας χρήσης, το οποίο έχει μελετηθεί εκτενώς στην pristine μορφή του. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Η μελέτη του TiO2 παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον, κυρίως λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων που εμφανίζει. Πρόκειται για έναν ημιαγωγό ευρέως χάσματος, που μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές: του ανατασίου (anatase), του ρουτιλίου (rutile) και του μπρουκίτη (brookite). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε TiO2, το οποίο εμφανίζει τόσο την κρυσταλλική φάση του ανατασίου, όσο και του ρουτιλίου. Παρασκευάσθηκαν δυαδικά συστήματα πολυπροπυλενίου/διοξειδίου του τιτανίου (PP/TiO2) με έξι περιεκτικότητες, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%, 10 wt% και 15 wt% σε TiO2. Η παρασκευή τους πραγματοποιήθηκε με εργαστηριακό δικόχλιο συνεξωθητή τήγματος πολυμερών (twin screw extruder) και η μορφοποίησή τους σε λεπτά υμένια έγινε με τη χρήση θερμοπρέσσας. Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση της συγκέντρωσης της ενισχυτικής φάσης, στις δομικές, θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των νανοσύνθετων συστημάτων. Επίσης μελετώνται δείγματα της πολυμερικής μήτρας PP ως συστήματα αναφοράς. Η μελέτη των νανοσύνθετων πραγματοποιήθηκε μέσω των τεχνικών της Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD), της Αποσβένουσας Ολικής Ανάκλασης (ATR), της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC) και της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (BDS). Στα φάσματα ακτίνων Χ όλων των δειγμάτων παρατηρούνται κορυφές που αντιστοιχούν στις κρυσταλλικές φάσεις α και γ της πολυμερικής μήτρας. Με την αύξηση της περιεκτικότητας του εγκλείσματος TiO2 στα νανοσύνθετα, παρατηρούνται προοδευτικά περισσότερες κορυφές οι οποίες είναι χαρακτηριστικές των κρυσταλλικών φάσεων του ανατασίου (Α) και ρουτιλίου (R) του εγκλείσματος. Στα φάσματα ATR όλων των δειγμάτων επικρατούν οι κορυφές απορρόφησης οι οποίες οφείλονται σε δονήσεις τάσης (stretching vibrations) και κάμψης (bending vibrations) των -CH2 και -CH3 του πολυμερούς. Στα φάσματα των νανοσύνθετων iv καταγράφονται επίσης κορυφές απορρόφησης χαρακτηριστικές της παρουσίας του εγκλείσματος. Το σημείο τήξεως και ο βαθμός κρυσταλλικότητας της πολυμερικής μήτρας προσδιορίστηκαν από τα θερμογραφήματα DSC. Από τα αποτελέσματα δεν προκύπτει κάποια συστηματική μεταβολή των παραπάνω μεγεθών με την αύξηση της συγκέντρωσης του TiO2. Επίσης δεν ανιχνεύθηκε υαλώδης μετάβαση σε κανένα από τα δείγματα, πιθανότατα λόγω της ημι-κρυσταλλικής φύσης του PP και του μικρού ποσοστού άμορφης φάσης σε αυτό. Τέλος, τα φάσματα διηλεκτρικής απόκρισης BDS των δοκιμίων, που ελήφθησαν στην περιοχή θερμοκρασιών από -100°C έως 160°C και σε εύρος συχνοτήτων από 0.1Hz έως 1 MHz, εμφανίζονται πλούσια σε μηχανισμούς χαλάρωσης, παρά το γεγονός ότι το PP είναι μη πολικό μακρομόριο. Στην περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών, στη μήτρα PP και στα σύνθετα PP/1%wtTiO2, PP/3%wtTiO2, παρατηρείται η γ-χαλάρωση, η οποία οφείλεται σε τοπικές κινήσεις (crankshaft type), που λαμβάνουν χώρα στην άμορφη φάση του PP. Ακολούθως, στις ενδιάμεσες θερμοκρασίες εμφανίζεται σε όλα τα δείγματα η β-χαλάρωση, η οποία συνδέεται με την υαλώδη μετάβαση της άμορφης φάσης του PP. Τέλος, στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, στο φάσμα της μήτρας PP και του νανοσύνθετου PP/1%wtTiO2, εμφανίζεται ο μηχανισμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (Conductivity Term, CT), ο οποίος περιγράφει την απόκριση ελεύθερων φορέων στις μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων. Στην ίδια περιοχή θερμοκρασιών, στα φάσματα όλων των νανοσύνθετων, εμφανίζεται η α-χαλάρωση η οποία συνδέεται με την κρυσταλλική φάση της πολυμερικής μήτρας. Τέλος, όσον αφορά στη θερμοκρασιακή εξάρτηση των μηχανισμών χαλάρωσης, η β-χαλάρωση ακολουθεί την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VFT), ενώ η α1-χαλάρωση και ο μηχανισμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας CT, την εξίσωση Arrhenius.