Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και την παρασκευή συνθέτων υλικών από θερμοπλαστικά υλικά (HDPE,Griltex) ενισχυμένα με νανο-σωματίδια γραφενίου (MWCNTs,GNPs). Η εργασία επικεντρώθηκε στην ομαλή διεξαγωγή της παρασκευαστικής διαδικασίας, για την παρασκευή των επιθυμητών ν...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | https://hdl.handle.net/10889/23415 |
| id |
nemertes-10889-23415 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Θερμοπλαστικά πολυμερή Νανοσύνθετα υλικά Μηχανικές ιδιότητες Ηλεκτρική αγωγιμότητα Θερμική αγωγιμότητα Νανοσωλήνες άνθρακα Πολυστρωτικο γραφένιο Thermoplastic polymers Mechanical properties Electrical conductivity Thermal conductivity Carbon nanotubes (CNTs)'' GNPs Nanocomposite materials |
| spellingShingle |
Θερμοπλαστικά πολυμερή Νανοσύνθετα υλικά Μηχανικές ιδιότητες Ηλεκτρική αγωγιμότητα Θερμική αγωγιμότητα Νανοσωλήνες άνθρακα Πολυστρωτικο γραφένιο Thermoplastic polymers Mechanical properties Electrical conductivity Thermal conductivity Carbon nanotubes (CNTs)'' GNPs Nanocomposite materials Παπαφωτίου, Γεώργιος Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| description |
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και την παρασκευή συνθέτων υλικών από θερμοπλαστικά υλικά (HDPE,Griltex) ενισχυμένα με νανο-σωματίδια γραφενίου (MWCNTs,GNPs). Η εργασία επικεντρώθηκε στην ομαλή διεξαγωγή της παρασκευαστικής διαδικασίας, για την παρασκευή των επιθυμητών νανο-ενισχυμένων υλικών (Griltex_13% MWCNTs, Griltex_10% MWCNTs, Griltex_10%GNPs και HDPE_10%MWCNTs) και εν συνεχεία ακολούθησε ο πειραματικός χαρακτηρισμός των εν λόγω υλικών. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μελέτη ως προς την πολύ-λειτουργικότητά των αναπτυχθέντων δοκιμίων, εκτελέστηκαν μηχανικές δοκιμές καθώς και μετρήσεις ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας. Η παρασκευή των δοκιμίων έγινε με την μέθοδο εξώθησης σε καλούπι (injection molding) και πραγματοποιήθηκε σε ειδικά σχεδιασμένη πειραματική διάταξη.
Αρχικά, στα πλαίσια της εργασίας, έπειτα από βιβλιογραφική αναζήτηση που πραγματοποιήθηκε, γίνεται αναφορά στα θερμοπλαστικά υλικά και σε υλικά που ανήκουν στην κατηγορία των πολυαμιδίων, σε θεμελιώδεις ορισμούς και πληροφορίες πάνω στα σύνθετα υλικά, στις κατηγορίες τους και την επεξεργασία τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά η δομή και τα χαρακτηριστικά του άνθρακα και των παραγώγων του, με έμφαση στους νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) και το πολυστρωματικό γραφένιο (GNPs), παρουσιάζοντας τις τεχνικές παρασκευής και τις διεργασίες τους. Επιπλέον, αναφέρονται οι μέθοδοι παραγωγής και τα συστήματα εξώθησης συνθέτων θερμοπλαστικών υλικών καθώς και η εργαστηριακή διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο.
Στο πειραματικό μέρος της εργασίας, γίνεται παρουσίαση των διεργασιών που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο για την προετοιμασία των υλικών και περιγράφεται η διαδικασία παρασκευής των σύνθετων, μέσω της injection molding διάταξης. Κύρια πρόκληση ήταν η ομογενής διασποράς των νανο-σωματιδίων μέσα στο εσωτερικού του υλικού καθώς και η αποφυγή των συσσωμάτων που έχουν την τάση να δημιουργούν τα νανο-σωματίδια γραφενίου. Από τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών που διεξήχθησαν στο εργαστήριο προκύπτει ότι η προσθήκη των MWCNTs και GNPs στο εσωτερικό του θερμοπλαστικών υλικών επέφερε θετικά αποτελέσματα. Οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώθηκαν σημαντικά, με το Μέτρο Ελαστικότητας και την Αντοχή σε Εφελκυσμό να αυξάνεται καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα των νανο-σωματιδιων, ενώ η Παραμόρφωση θραύσης φάνηκε αρχικά να μην επηρεάζεται με την προσθήκη πολυστρωματικών γραφενίων αλλά στην συνέχεια με την προσθήκη MWCNTs υποβαθμίστηκε αρκετά. Ακόμα, η Θερμική Αγωγιμότητα βελτιώθηκε σημαντικά σε όλες τις περιπτώσης ενώ η Ηλεκτρική Αγωγιμότητα βελτιώθηκε περίπου κατά 10 τάξεις μεγέθους μόνο με την προσθήκη MWCNTs. |
| author2 |
Papafotiou, Georgios |
| author_facet |
Papafotiou, Georgios Παπαφωτίου, Γεώργιος |
| author |
Παπαφωτίου, Γεώργιος |
| author_sort |
Παπαφωτίου, Γεώργιος |
| title |
Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| title_short |
Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| title_full |
Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| title_fullStr |
Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| title_full_unstemmed |
Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| title_sort |
ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων |
| publishDate |
2022 |
| url |
https://hdl.handle.net/10889/23415 |
| work_keys_str_mv |
AT papaphōtiougeōrgios anaptyxēpolyleitourgikōnthermoplastikōnylikōnmetēchrēsēgraphitikōnnanosōmatidiōn AT papaphōtiougeōrgios developmentofmultifunctionalthermoplasticmaterialsbyusinggraphenebasednanospecies |
| _version_ |
1771297310497570816 |
| spelling |
nemertes-10889-234152022-10-18T03:36:19Z Ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών θερμοπλαστικών υλικών με τη χρήση γραφιτικών νανο-σωματιδίων Development of multifunctional thermoplastic materials by using graphene-based nanospecies Παπαφωτίου, Γεώργιος Papafotiou, Georgios Θερμοπλαστικά πολυμερή Νανοσύνθετα υλικά Μηχανικές ιδιότητες Ηλεκτρική αγωγιμότητα Θερμική αγωγιμότητα Νανοσωλήνες άνθρακα Πολυστρωτικο γραφένιο Thermoplastic polymers Mechanical properties Electrical conductivity Thermal conductivity Carbon nanotubes (CNTs)'' GNPs Nanocomposite materials Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και την παρασκευή συνθέτων υλικών από θερμοπλαστικά υλικά (HDPE,Griltex) ενισχυμένα με νανο-σωματίδια γραφενίου (MWCNTs,GNPs). Η εργασία επικεντρώθηκε στην ομαλή διεξαγωγή της παρασκευαστικής διαδικασίας, για την παρασκευή των επιθυμητών νανο-ενισχυμένων υλικών (Griltex_13% MWCNTs, Griltex_10% MWCNTs, Griltex_10%GNPs και HDPE_10%MWCNTs) και εν συνεχεία ακολούθησε ο πειραματικός χαρακτηρισμός των εν λόγω υλικών. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μελέτη ως προς την πολύ-λειτουργικότητά των αναπτυχθέντων δοκιμίων, εκτελέστηκαν μηχανικές δοκιμές καθώς και μετρήσεις ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας. Η παρασκευή των δοκιμίων έγινε με την μέθοδο εξώθησης σε καλούπι (injection molding) και πραγματοποιήθηκε σε ειδικά σχεδιασμένη πειραματική διάταξη. Αρχικά, στα πλαίσια της εργασίας, έπειτα από βιβλιογραφική αναζήτηση που πραγματοποιήθηκε, γίνεται αναφορά στα θερμοπλαστικά υλικά και σε υλικά που ανήκουν στην κατηγορία των πολυαμιδίων, σε θεμελιώδεις ορισμούς και πληροφορίες πάνω στα σύνθετα υλικά, στις κατηγορίες τους και την επεξεργασία τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά η δομή και τα χαρακτηριστικά του άνθρακα και των παραγώγων του, με έμφαση στους νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) και το πολυστρωματικό γραφένιο (GNPs), παρουσιάζοντας τις τεχνικές παρασκευής και τις διεργασίες τους. Επιπλέον, αναφέρονται οι μέθοδοι παραγωγής και τα συστήματα εξώθησης συνθέτων θερμοπλαστικών υλικών καθώς και η εργαστηριακή διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο. Στο πειραματικό μέρος της εργασίας, γίνεται παρουσίαση των διεργασιών που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο για την προετοιμασία των υλικών και περιγράφεται η διαδικασία παρασκευής των σύνθετων, μέσω της injection molding διάταξης. Κύρια πρόκληση ήταν η ομογενής διασποράς των νανο-σωματιδίων μέσα στο εσωτερικού του υλικού καθώς και η αποφυγή των συσσωμάτων που έχουν την τάση να δημιουργούν τα νανο-σωματίδια γραφενίου. Από τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών που διεξήχθησαν στο εργαστήριο προκύπτει ότι η προσθήκη των MWCNTs και GNPs στο εσωτερικό του θερμοπλαστικών υλικών επέφερε θετικά αποτελέσματα. Οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώθηκαν σημαντικά, με το Μέτρο Ελαστικότητας και την Αντοχή σε Εφελκυσμό να αυξάνεται καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα των νανο-σωματιδιων, ενώ η Παραμόρφωση θραύσης φάνηκε αρχικά να μην επηρεάζεται με την προσθήκη πολυστρωματικών γραφενίων αλλά στην συνέχεια με την προσθήκη MWCNTs υποβαθμίστηκε αρκετά. Ακόμα, η Θερμική Αγωγιμότητα βελτιώθηκε σημαντικά σε όλες τις περιπτώσης ενώ η Ηλεκτρική Αγωγιμότητα βελτιώθηκε περίπου κατά 10 τάξεις μεγέθους μόνο με την προσθήκη MWCNTs. This diploma thesis deals with the study and preparation of composite materials from thermoplastic materials (HDPE, Griltex) reinforced with graphene nano-particles (MWCNTs, GNPs). The work focused on the smooth conduct of the manufacturing process, for the preparation of the desired nano-reinforced materials (Griltex_13%MWCNTs, Griltex_10%MWCNTs, Griltex_10%GNPs and HDPE_10%MWCNTs) followed by the experimental characterization of these materials. To investigate the multi-functionality of the developed specimens, mechanical tests as well as measurements of electrical and thermal conductivity were performed. The manufacturing of the specimens was done using injection molding method, utilizing a specially designed set up. Initially, in the context of the work, after a bibliographic search that was carried out, reference is made to thermoplastic materials and materials belonging to the category of polyamides, to fundamental definitions and information on composite materials, their categories and their processing methods. After that, the structure and characteristics of carbon and its derivatives are described in detail, with emphasis on carbon nanotubes (CNTs) and multilayer graphene (GNPs), presenting their manufacturing techniques and processes. In addition, the production methods and extrusion systems of complex thermoplastic materials as well as the laboratory device used in the laboratory are indicated. In the experimental part of the work, the processes carried out in the laboratory for the preparation of materials are presented and the process of preparing the composites is described, through the injection molding device. The main challenge was the homogeneous dispersion of nano-particles inside the material as well as the avoidance of the systoms that the graphene nano-particles tend to create. The results of the experimental tests carried out in the laboratory show that the addition of MWCNTs and GNPs inside the thermoplastic materials has positive impact. The mechanical properties were significantly improved, with the Young Modulus and Tensile Strength increasing as the concentration of nanoparticles increases, while the Fracture Strain on initially seemed not to be affected by the addition of multilayer graphenes but then with the addition of MWCNTs it was significantly degraded. Finally, Thermal Conductivity was improved significantly in all cases while Electrical Conductivity was improved by about 10 orders of magnitude with the addition of MWCNTs only with the addition of MWCNTs. 2022-10-17T18:14:32Z 2022-10-17T18:14:32Z 2022-10-17 https://hdl.handle.net/10889/23415 el CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf |
