Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης για δομικές εφαρμογές : ενίσχυση της κόλλας με νανοσωλήνες άνθρακα

• Κύριος συγγραφέας: Τζατζαδάκης, Βασίλειος
• Άλλοι συγγραφείς: Tzatzadakis, Vasileios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Κόλλα βιολογικής βάσης; Νανοσωλήνες άνθρακα; Ενίσχυση κόλλας; Δομικές εφαρμογές; Αεροναυπηγική; Σύνθετα υλικά; Υγροθερμική γήρανση; Επιχλωριδρίνη; Καρδανόλη; Εποξειδικές ρητίνες; Bio-based adhesive; Carbon nanotubes; Reinforcement of adhesive; Structural application; Aeronautics; Composite materials; Hygrothermal ageing; Epichlorohydrin; Cardanol; Epoxy resins

Η αυξανόμενη χρήση των εποξειδικών κολλών σε δομικές και διακοσμητικές εφαρμογές σε διαφορετικούς βιομηχανικούς κλάδους σε συνδυασμό με τους νέους περιορισμούς ως προς τη χρήση των ορυκτών πόρων και το παραγόμενο περιβαλλοντικό αποτύπωμα αλλά και την ανάγκη για αυξημένη ανακυκλωσιμότητα έχει προκαλέσει τη τελευταία δεκαετία μεγάλο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη και παραγωγή εποξεδικών κόλλων βιολογικής βάσης. Η σχετική πρόοδος που έχει επιτευχθεί είναι μικρή. Δύο από τα βασικά προς επίλυση θέματα των κολλών βιολογικής βάσης είναι οι χαμηλές μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τις συμβατικές δομικές κόλλες και η υποβάθμιση της μηχανικής τους συμπεριφοράς λόγω της περιβαλλοντικής γήρανσης. Στην παρούσα φάση, οι εφαρμογές των κολλών και των ρητινών βιολογικής βάσης περιορίζονται σε διακοσμητικές κατασκευές οι οποίες φέρουν χαμηλά ή μηδενικά φορτία. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε και χαρακτηρίστηκε πειραματικά μια νέα κόλλα βιολογικής βάσης, η οποία προορίζεται για δομικές και διακοσμητικές εφαρμογές. Η κόλλα βασίζεται στα συστατικά της επιχλωριδίνης και της καρδανόλης. Η επιχλωριδίνη είναι φυτικής προέλευσης και παράγεται από την γλυκερίνη, ενώ η καρδανόλη παράγεται από το ανακαρδικό οξύ, το οποίο συναντάται στο λάδι του φλοιού του καρπού κάσιους. Το κατασκευαστικό κομμάτι της εργασίας περιλαμβάνει τη στοιχειομετρική αναλογία μίξης των συστατικών, την εργαστηριακή σύνθεση της κόλλας, την κατασκευή δοκιμίων κόλλας και των συνδέσεων με κόλλα. Για κάθε επιμέρους διεργασία εφαρμόστηκε βελτιστοποίηση. Συγκεκριμένα, διεξήχθησαν παραμετρικές μελέτες για την επίδραση της στοιχειομετρικής αναλογίας στο ιξώδες και τις μηχανικές ιδιότητες της κόλλας και της θερμοκρασίας σκλήρυνσης στις μηχανικές ιδιότητες της κόλλας. Βελτιστοποιήθηκε η διαδικασία εξαέρωσης ως προς την ποιότητα της κόλλας. Εφαρμόστηκαν διαφορετικές επιφανειακές κατεργασίες στις επιφάνειες των δοκιμίων αλουμινίου και συνθέτου υλικού για τη βελτίωση της πρόσφυσης της κόλλας με τις επιφάνειες και βελτιστοποιήθηκε η επιφανειακή χημική κατεργασία για την επιφάνεια του αλουμινίου. Τέλος, εφαρμόστηκαν διαφορετικές μέθοδοι και παράμετροι για τη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα μέσα στην κόλλα δεδομένης της δυσκολίας της ομογενοποίησης του υλικού λόγω του μεγάλου ιξώδους της κόλλας. Για τον πειραματικό χαρακτηρισμό της κόλλας διεξήχθησαν δοκιμές εφελκυσμού, δυσθραυστότητας και δυναμικής μηχανικής ανάλυσης σε δοκίμια κόλλας καθώς και δοκιμές εφελκυσμού σε συνδέσεις με κόλλα μονής επικάλυψης δοκιμίων από αλουμίνιο (2024-Τ3) και σύνθετο υλικό. Το υλικό της κόλλας ελέγχθηκε για την παρουσία πόρων χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης. Στις συνδέσεις με κόλλα δοκιμίων αλουμινίου εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές επιφανειακές κατεργασίες (τράχυνση και χημική κατεργασία) ενώ στις συνδέσεις με κόλλα δοκιμίων μία (τράχυνση). Με σκοπό να μελετηθεί η ευαισθησία της μηχανικής συμπεριφοράς της νέας κόλλας στην περιβαλλοντική γήρανση, δοκίμια κόλλας και συνδέσεις με κόλλα μονής επικάλυψης υποβλήθηκαν σε επιταχυνόμενη υγροθερμική γήρανση (70°C/85%RH) μέχρι το σημείο κορεσμού. Επίσης, προκειμένου να εξεταστεί η δυνατότητα ενίσχυσης των μηχανικών ιδιοτήτων της, η νέα κόλλα ενισχύθηκε με νανοσωλήνες άνθρακα εφαρμόζοντας τρεις διαφορετικές περιεκτικότητες: 0.5%, 1.0% και 2.0% κατά βάρος. Η μορφολογία του υλικού της ενισχυμένης κόλλας ελέγχθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και έγινε προσπάθεια να συνδεθούν τα αποτελέσματα αυτά με τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών. Τόσο για τα δοκίμια της κόλλας και τις συνδέσεις με κόλλα, που υποβλήθηκαν σε υγροθερμική γήρανση, όσο και για τα δοκίμια της ενισχυμένης κόλλας και τις συνδέσεις με ενισχυμένη κόλλα επαναλήφθηκαν όλες οι προαναφερθείσες μηχανικές δοκιμές και οι δοκιμές δυναμικής μηχανικής ανάλυσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η νέα κόλλα έχει μέτρο ελαστικότητας 1.85 GPa, αντοχή σε εφελκυσμό 60.6 MPa, συντελεστή έντασης τάσης 1.53 MPa‧√m και θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης 65.1°C. Οι έλεγχοι με το μικροσκόπιο δεν εμφάνισαν πόρους στο υλικό της κόλλας. Η αντοχή σε διάτμηση της κόλλας για τη σύνδεση με αλουμίνιο είναι 6.35 MPa για την επιφανειακή κατεργασία της τράχυνσης και 13.64 MPa για την επιφανειακή χημική κατεργασία, γεγονός που καταδεικνύει τη σημασία της επιφανειακής κατεργασίας στις συνδέσεις με κόλλα. Η αντοχή σε διάτμηση της κόλλας για τη σύνδεση με σύνθετο υλικό είναι 22.27 MPa. Η εφαρμογή της υγροθερμικής γήρανσης προκάλεσε μείωση του μέτρου ελαστικότητας, της αντοχής σε εφελκυσμό, του συντελεστή έντασης τάσης και της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης της κόλλας κατά 12.97%, 34.98%, 3.2% και 13.8%, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η κόλλα είναι αρκετά επιρρεπής στην περιβαλλοντική γήρανση. Αντίθετα, η εφαρμογή της υγροθερμικής γήρανσης προκάλεσε μικρή αύξηση της αντοχής σε διάτμηση της κόλλας τόσο για τη σύνδεση με το αλουμίνιο όσο και για τη σύνδεση με το σύνθετο υλικό. Η ενίσχυση της κόλλας με νανοσωλήνες άνθρακα οδήγησε στην αύξηση του μέτρου ελαστικότητας, του συντελεστή έντασης τάσης και της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης της κόλλας και στη μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό. Τόσο η αύξηση όσο και η μείωση των ιδιοτήτων είναι αυξανόμενες με την αύξηση της περιεκτικότητας της ενίσχυσης. Η μέγιστη αύξηση του μέτρου ελαστικότητας είναι 6.4%, του συντελεστή έντασης τάσης 7.2% και της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης 5.6%, ενώ η μέγιστη μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό είναι 20.6%. Τα αντικρουόμενα αυτά αποτελέσματα οφείλονται στην παρουσία συσσωματωμάτων νανοσωλήνων άνθρακα στην κόλλα τα οποία, όπως φάνηκε στις εικόνες της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, είχαν αυξανόμενο πλήθος και μέγεθος με την αύξηση της περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα. Επιπρόσθετα, η προσθήκη των νανοσωλήνων άνθρακα οδήγησε σε πολλή μεγάλη αύξηση της αντοχής σε διάτμηση της κόλλας στη σύνδεση των δοκιμίων αλουμινίου (η μέγιστη αύξηση είναι 57% για την περιεκτικότητα των 2% κ.β.) και σε σημαντική αύξηση της της αντοχής σε διάτμηση της κόλλας στη σύνδεση των δοκιμίων συνθέτου υλικού (10.4% για την περιεκτικότητα των 2% κ.β.). Από την αξιολόγηση των πειραματικών τιμών των ιδιοτήτων της κόλλας, συμπεραίνονται τα εξής: • Σχεδόν για όλες τις πειραματικές σειρές η τυπική απόκλιση των μετρήσεων είναι πολύ μικρή κάτι το οποίο είναι ενδεικτικό της επαναληψιμότητας τόσο της πειραματικής διαδικασίας σύνθεσης της κόλλας και κατασκευής των δοκιμίων όσο και της διεξαγωγής των μηχανικών δοκιμών. • Σε όλες τις δοκιμές των συνδέσεων με κόλλα παρατηρήθηκε αστοχία τύπου συνοχής κάτι το οποίο είναι ενδεικτικό της ποιότητας της κόλλησης και της υψηλής αντοχής της σύνδεσης. • Οι μέσες τιμές όλων των ιδιοτήτων της καθαρής κόλλας κυμαίνονται στην πλειοψηφία τους κοντά στο μέσο όρο των ιδιοτήτων των διαθέσιμων κολλών δομικών εφαρμογών. Παράλληλα με την πειραματική διαδικασία, διεξήχθη ανάλυση του κύκλου ζωής και του κόστους της κόλλας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε μελέτη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από την παραγωγή της κόλλας με βάση το πρότυπο ISO 14040 και υπολογίστηκαν έξι δείκτες επιπτώσεων: το δυναμικό εξάντλησης αβιοτικών πόρων, το δυναμικό οξίνισης, το δυναμικό ευτροφισμού γλυκών υδάτων, το δυναμικό καταστροφής του όζοντος, το δυναμικό φωτοχημικής δημιουργίας όζοντος, και το δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη. Οι τιμές για τις αναλύσεις αντλήθηκαν από τη βιβλιογραφία και από τις κατασκευάστριες εταιρείες των συστατικών της κόλλας. Ως υλικό αναφοράς χρησιμοποιήθηκε μια διαδεδομένη εμπορική εποξεδική ρητίνη. Η σύγκριση των τιμών των δυναμικών έδειξε ότι η νέα κόλλα βιολογικής βάσης έχει πολύ μικρότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την εμπορική ρητίνη και πολύ μικρότερο κόστος παραγωγής. Αντίθετα, η ενίσχυση της κόλλας με νανοσωλήνες άνθρακα οδηγεί σε υψηλότερο δυναμικό θέρμανσης του πλανήτη από την εποξειδική κόλλα και σε υψηλότερο κόστος παραγωγής. Εν κατακλείδι, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε και χαρακτηρίστηκε πειραματικά μια νέα κόλλα βιολογικής βάσης. Επίσης, εξετάστηκε η επίδραση της περιβαλλοντικής γήρανσης στις μηχανικές ιδιότητες της κόλλας και η δυνατότητα ενίσχυσης των μηχανικών ιδιοτήτων της με την προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα. Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η νέα κόλλα λόγω των καλών μηχανικών ιδιοτήτων της, του χαμηλού περιβαλλοντικού αποτυπώματος και του χαμηλού κόστους παραγωγής της εμφανίζει καλή προοπτική για μελλοντική χρήση σε διακοσμητικές εφαρμογές και ορισμένες δομικές εφαρμογές.