Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη
Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών εποξειδικής μήτρας βιολογικής βάσης με ενίσχυση νανοκρυστάλλων κυτταρίνης (Cellulose Nanocrystals, CNCs). Η ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε είναι η EnviPOXY 530 (Spolchemie) και προέρχεται από επιχλωριδρίνη. Η επιχλωριδρίνη παράγ...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Γλώσσα: | Greek |
Έκδοση: |
2022
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/16337 |
id |
nemertes-10889-16337 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
Greek |
topic |
Κυτταρίνη νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης εποξειδική ρητίνη βιολογικής βάσης μηχανικές ιδιότητες περιβαλλοντικές επιπτώσεις Cellulose cellulose nanocrystals bio-based epoxy resin mechanical properties environmental impact |
spellingShingle |
Κυτταρίνη νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης εποξειδική ρητίνη βιολογικής βάσης μηχανικές ιδιότητες περιβαλλοντικές επιπτώσεις Cellulose cellulose nanocrystals bio-based epoxy resin mechanical properties environmental impact Τουρούντζη, Ευσταθία Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
description |
Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών εποξειδικής μήτρας βιολογικής βάσης με ενίσχυση νανοκρυστάλλων κυτταρίνης (Cellulose Nanocrystals, CNCs).
Η ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε είναι η EnviPOXY 530 (Spolchemie) και προέρχεται από επιχλωριδρίνη. Η επιχλωριδρίνη παράγεται από την φυτικής προέλευσης γλυκερίνη. Ο σκληρυντής της ρητίνης είναι αλειφατική αμίνη και επομένως η παραγόμενη κόλλα δεν είναι πλήρως βιολογικής βάσης. Τέλος ως μέσο ενίσχυσης χρησιμοποιήθηκαν οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης, οι οποίοι μπορούν να απομονωθούν από τα ινίδια κυτταρίνης ή από τη κυτταρίνη που προέρχεται από βακτήρια. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης από την εταιρεία «Nanografi Nano Technology».
Έτσι το πρώτο στάδιο αφορά το κατασκευαστικό κομμάτι. Πιο συγκεκριμένα έγινε εργαστηριακή σύνθεση της κόλλας και κατασκευή των απαραίτητων δοκιμίων για τις μετέπειτα πειραματικές δοκιμές. Η διαδικασία αυτή περιλάμβανε τη διεξαγωγή παραμετρικής μελέτης της θερμοκρασίας σκλήρυνσης αλλά και των χρόνων παραμονής του υλικού στα διάφορα στάδια εξαέρωσης, ανάμιξης, διασποράς των νανοκρυστάλλων και σκλήρυνσης.
Το δεύτερο στάδιο αφορούσε τον πειραματικό χαρακτηρισμό της κόλλας. Για το σκοπό αυτό διεξήχθησαν πειράματα εφελκυσμού και δυσθραυστότητας σε δοκίμια κόλλας. Μάλιστα η κόλλα ενισχύθηκε με νανοκρυστάλλους κυτταρίνης σε τρείς διαφορετικές περιεκτικότητες : 0.5% , 1% και 2% κατά βάρος προκειμένου να χαρακτηρισθεί και η ενισχυμένη κόλλα ως προς τις αντίστοιχες μηχανικές ιδιότητες και έτσι να εξετασθεί η επίδραση της ενίσχυσης που χαρακτηρίζεται από βιολογική προέλευση.
Από τη διεξαγωγή των παραπάνω πειραμάτων , προέκυψε πως η αμιγής κόλλα που συνθέσαμε έχει υψηλό μέτρο ελαστικότητας και συγκεκριμένα 3,29 GPa ενώ η αντοχή της σε εφελκυσμό κυμαίνεται στα 45.15 MPa. Όσον αναφορά τις θραυστομηχανικές ιδιότητες η κόλλα βρέθηκε να έχει συντελεστή έντασης τάσης (KIc) στα 0,61 MPa *m1/2 και συντελεστή εκλυόμενης ενέργειας κατά τη θραύση ( GIc) στα 0,091 KJ/m2 .
Η προσθήκη νανοκρυστάλλων κυτταρίνης δεν βελτίωσε τις ιδιότητες της αμιγούς κόλλας. Πιο συγκεκριμένα για το μέτρο ελαστικότητας εντοπίστηκε μέγιστη μείωση κατά 33,5% στην περιεκτικότητα 0.5%κ.β. ενώ για την αντοχή σε εφελκυσμό η μέγιστη μείωση ήταν στα 5,8% για τη περιεκτικότητα 2%κ.β. Οι συντελεστές KIc & GIc βρήκαν μέγιστη μείωση στη περιεκτικότητα του 0.5%κ.β. σε ποσοστά 5% και 9,6% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αυτά οφείλονται στην ύπαρξη έντονης συσσωμάτωσης των νανοκρυστάλλων κυτταρίνης στο αρχικό υλικό εξαιτίας της πολικής φύσης τους.
Επομένως ύστερα από τα πειραματικά αποτελέσματα και τη σύγκριση αυτών με τη μέση τιμή των αντίστοιχων ιδιοτήτων των εμπορικών κολλών , μπορεί να διαπιστωθεί πως η αμιγής κόλλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κόλλα διακοσμητικών εφαρμογών και σε ορισμένες περιπτώσεις ως κόλλα δομικών εφαρμογών. Όσον αφορά την ενισχυμένη κόλλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και αυτή σε διακοσμητικές εφαρμογές αλλά όχι σε δομικές εφαρμογές με εξαίρεση τις περιπτώσεις όπου οι απαιτήσεις του υλικού ως προς τη δυσκαμψία και τη διάδοση ρωγμών να είναι πολύ μικρές.
Τέλος εξαιτίας της επιτακτικής ανάγκης ελέγχου των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των νέων υλικών διεξήχθη ανάλυση κύκλου ζωής (Life Cycle Assessment-LCA) σύμφωνα με το ISO 14040 όπου και υπολογίστηκαν έξι κατηγορίες επιπτώσεων. Αναλυτικότερα υπολογίσθηκαν : 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 θέρμανσης του πλανήτη. Τα παραπάνω συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα για μια εποξειδική ρητίνη από τη βιβλιογραφία. Έτσι προέκυψε πως τόσο αμιγής κόλλα βιολογικής βάσης αλλά και η ενισχυμένη κόλλα με νανοκρυστάλλους παρουσίασε στο μεγαλύτερο ποσοστό σημαντικά βελτιωμένες τιμές των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Επομένως η νέα κόλλα μπορεί να χαρακτηρισθεί ως κόλλα μειωμένου περιβαλλοντικού αποτυπώματος. |
author2 |
Tourountzi, Efstathia |
author_facet |
Tourountzi, Efstathia Τουρούντζη, Ευσταθία |
author |
Τουρούντζη, Ευσταθία |
author_sort |
Τουρούντζη, Ευσταθία |
title |
Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
title_short |
Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
title_full |
Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
title_fullStr |
Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
title_full_unstemmed |
Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
title_sort |
σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη |
publishDate |
2022 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/16337 |
work_keys_str_mv |
AT tourountzēeustathia synthesēkaipeiramatikoscharaktērismoskollasbiologikēsbasēsenischymenēmenanokyttarinē AT tourountzēeustathia synthesisandexperimentalcharacterizationofbiobasedadhesiveenhancedwithnanocellulose |
_version_ |
1771297165541376000 |
spelling |
nemertes-10889-163372022-09-05T06:57:32Z Σύνθεση και πειραματικός χαρακτηρισμός κόλλας βιολογικής βάσης ενισχυμένη με νανοκυτταρίνη Synthesis and experimental characterization of bio-based adhesive enhanced with nanocellulose Τουρούντζη, Ευσταθία Tourountzi, Efstathia Κυτταρίνη νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης εποξειδική ρητίνη βιολογικής βάσης μηχανικές ιδιότητες περιβαλλοντικές επιπτώσεις Cellulose cellulose nanocrystals bio-based epoxy resin mechanical properties environmental impact Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών εποξειδικής μήτρας βιολογικής βάσης με ενίσχυση νανοκρυστάλλων κυτταρίνης (Cellulose Nanocrystals, CNCs). Η ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε είναι η EnviPOXY 530 (Spolchemie) και προέρχεται από επιχλωριδρίνη. Η επιχλωριδρίνη παράγεται από την φυτικής προέλευσης γλυκερίνη. Ο σκληρυντής της ρητίνης είναι αλειφατική αμίνη και επομένως η παραγόμενη κόλλα δεν είναι πλήρως βιολογικής βάσης. Τέλος ως μέσο ενίσχυσης χρησιμοποιήθηκαν οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης, οι οποίοι μπορούν να απομονωθούν από τα ινίδια κυτταρίνης ή από τη κυτταρίνη που προέρχεται από βακτήρια. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης από την εταιρεία «Nanografi Nano Technology». Έτσι το πρώτο στάδιο αφορά το κατασκευαστικό κομμάτι. Πιο συγκεκριμένα έγινε εργαστηριακή σύνθεση της κόλλας και κατασκευή των απαραίτητων δοκιμίων για τις μετέπειτα πειραματικές δοκιμές. Η διαδικασία αυτή περιλάμβανε τη διεξαγωγή παραμετρικής μελέτης της θερμοκρασίας σκλήρυνσης αλλά και των χρόνων παραμονής του υλικού στα διάφορα στάδια εξαέρωσης, ανάμιξης, διασποράς των νανοκρυστάλλων και σκλήρυνσης. Το δεύτερο στάδιο αφορούσε τον πειραματικό χαρακτηρισμό της κόλλας. Για το σκοπό αυτό διεξήχθησαν πειράματα εφελκυσμού και δυσθραυστότητας σε δοκίμια κόλλας. Μάλιστα η κόλλα ενισχύθηκε με νανοκρυστάλλους κυτταρίνης σε τρείς διαφορετικές περιεκτικότητες : 0.5% , 1% και 2% κατά βάρος προκειμένου να χαρακτηρισθεί και η ενισχυμένη κόλλα ως προς τις αντίστοιχες μηχανικές ιδιότητες και έτσι να εξετασθεί η επίδραση της ενίσχυσης που χαρακτηρίζεται από βιολογική προέλευση. Από τη διεξαγωγή των παραπάνω πειραμάτων , προέκυψε πως η αμιγής κόλλα που συνθέσαμε έχει υψηλό μέτρο ελαστικότητας και συγκεκριμένα 3,29 GPa ενώ η αντοχή της σε εφελκυσμό κυμαίνεται στα 45.15 MPa. Όσον αναφορά τις θραυστομηχανικές ιδιότητες η κόλλα βρέθηκε να έχει συντελεστή έντασης τάσης (KIc) στα 0,61 MPa *m1/2 και συντελεστή εκλυόμενης ενέργειας κατά τη θραύση ( GIc) στα 0,091 KJ/m2 . Η προσθήκη νανοκρυστάλλων κυτταρίνης δεν βελτίωσε τις ιδιότητες της αμιγούς κόλλας. Πιο συγκεκριμένα για το μέτρο ελαστικότητας εντοπίστηκε μέγιστη μείωση κατά 33,5% στην περιεκτικότητα 0.5%κ.β. ενώ για την αντοχή σε εφελκυσμό η μέγιστη μείωση ήταν στα 5,8% για τη περιεκτικότητα 2%κ.β. Οι συντελεστές KIc & GIc βρήκαν μέγιστη μείωση στη περιεκτικότητα του 0.5%κ.β. σε ποσοστά 5% και 9,6% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αυτά οφείλονται στην ύπαρξη έντονης συσσωμάτωσης των νανοκρυστάλλων κυτταρίνης στο αρχικό υλικό εξαιτίας της πολικής φύσης τους. Επομένως ύστερα από τα πειραματικά αποτελέσματα και τη σύγκριση αυτών με τη μέση τιμή των αντίστοιχων ιδιοτήτων των εμπορικών κολλών , μπορεί να διαπιστωθεί πως η αμιγής κόλλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κόλλα διακοσμητικών εφαρμογών και σε ορισμένες περιπτώσεις ως κόλλα δομικών εφαρμογών. Όσον αφορά την ενισχυμένη κόλλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και αυτή σε διακοσμητικές εφαρμογές αλλά όχι σε δομικές εφαρμογές με εξαίρεση τις περιπτώσεις όπου οι απαιτήσεις του υλικού ως προς τη δυσκαμψία και τη διάδοση ρωγμών να είναι πολύ μικρές. Τέλος εξαιτίας της επιτακτικής ανάγκης ελέγχου των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των νέων υλικών διεξήχθη ανάλυση κύκλου ζωής (Life Cycle Assessment-LCA) σύμφωνα με το ISO 14040 όπου και υπολογίστηκαν έξι κατηγορίες επιπτώσεων. Αναλυτικότερα υπολογίσθηκαν : 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 θέρμανσης του πλανήτη. Τα παραπάνω συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα για μια εποξειδική ρητίνη από τη βιβλιογραφία. Έτσι προέκυψε πως τόσο αμιγής κόλλα βιολογικής βάσης αλλά και η ενισχυμένη κόλλα με νανοκρυστάλλους παρουσίασε στο μεγαλύτερο ποσοστό σημαντικά βελτιωμένες τιμές των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Επομένως η νέα κόλλα μπορεί να χαρακτηρισθεί ως κόλλα μειωμένου περιβαλλοντικού αποτυπώματος. In the present thesis, the synthesis of bio-based cellulose nanocrystals (CNCs)/epoxy composites was studied. The resin that was used is EnviPOXY 530 (Spolchemie) and is derived from epichlorohydrin. Epichlorohydrin is produced from the plant-based glycerin. The hardener of the resin is an aliphatic amine. That means that , the adhesive is based on the ingredients of epichlorohydrin and bisphenol A and therefore is not a fully bio-based adhesive. Finally, cellulose nanocrystals were used as reinforcement , which can be isolated from cellulose fibrils or from cellulose derived from bacteria. The cellulose nanocrystals that were used are produced by the company named “Nanografi Nano Technology". The first stage is about the construction part. More specifically, the work includes the laboratory synthesis of the adhesive and the construction of adhesive samples. This process included the conduction of a parametric study of the curing temperature and the residence times of the material in the various stages of degassing, mixing, dispersion of nanocrystals and curing. The second step concerns the experimental characterization of the adhesive. For this purpose, tensile and fracture toughness tests were performed on bulk adhesive specimens. Also, the adhesive was reinforced with cellulose nanocrystals in three different contents of 0.5%, 1% and 2% by weight to examine the enhancement effects of a bio-based reinforcement. The experimental results showed that the bulk adhesive has a Young’s modulus of 3.29 GPa, a tensile strength of 45.15 MPa, a stress intensity factor of 0.61 MPa *m1/2 and a critical strain energy release rate ( GIc) of 0,091 KJ/m2 . The addition of cellulose nanocrystals in the epoxy resin didn’t improve the mechanical properties of the neat resin. More specifically the maximum decrease in the Young’s modulus was 33.5% for the content of 0.5% w/w ,while the maximum decrease in the tensile strength was 5.8% for the content of 2% w/w. The maximum decrease in the factors KIc & GIc was 5% and 9.6% in the content of 0.5% w/w respectively. These results were due to the presence of intense aggregation of cellulose nanocrystals in the adhesive due to their polar nature. After the experimental results and their comparison with the average value of the respective properties of commercial adhesives, we came to the conclusion that the bulk adhesive can be used as adhesive of decorative applications and under some cases as an adhesive of structural applications. In respect of reinforced adhesive, it can also be used in decorative applications but not in structural applications, except in cases where the requirements of the adhesive in terms of stiffness and the propagation of cracks are limited. Finally, due to the urgent need to control the environmental impact of new materials, a Life Cycle Assessment (LCA) was conducted in accordance with ISO 14040 where six potential indicators were calculated : the potential for depletion of abiotic resources, the potential for acidification, the potential for freshwater eutrophication, the potential for ozone depletion, ozone, and the potential for global warming. The comparison of potential values with a commercial epoxy resin whose data were obtained from the literature showed that the bio-based adhesive and the enhanced resin has a low environmental footprint. 2022-07-01T08:40:03Z 2022-07-01T08:40:03Z 2022-06-30 http://hdl.handle.net/10889/16337 gr application/pdf |