Ανάπτυξη νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας/κεραμικού TiO2. Μορφολογικός, θερμικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός

• Κύριος συγγραφέας: Τομαρά, Γεωργία
• Άλλοι συγγραφείς: Γεωργά, Σταυρούλα
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2014
• Θέματα: Νανοσύνθετα; Πολυμερή; Nanocomposites; Polymer; 620.192 04

Ο όρος “σύνθετα υλικά” αναφέρεται σε μείγματα δύο ή και περισσότερων υλικών, τα οποία διαφέρουν στη μορφή ή και στη σύνθεση, συνήθως δεν διαλύονται το ένα στο άλλο και είναι δυνατόν να εντοπισθεί διεπιφάνεια μεταξύ των συστατικών τους. Τα σύνθετα υλικά αναπτύχθηκαν με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων με εξειδικευμένο συνδυασμό ιδιοτήτων και επιτρέπουν την εξοικονόμηση φυσικών πόρων. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από τη μητρική και την ενισχυτική φάση. Πολύ σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά ενός σύνθετου παίζει η διεπιφάνεια, δηλαδή η κοινή επιφάνεια μεταξύ μήτρας και εγκλείσματος, καθώς και η περιοχή στα όρια αυτής της επιφάνειας. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο μορφολογικός, θερμικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας-κεραμικού TiO2. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε μια εμπορικά διαθέσιμη, χαμηλού ιξώδους εποξειδική ρητίνη (Epoxol 2004, Neotex S.A., Athens, Greece). Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους, της οποίας η διηλεκτρική σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές για το TiO2. Ως ενισχυτική φάση (έγκλεισμα) επιλέχθηκε το κεραμικό TiO2. Η μελέτη του TiO2 παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του. Είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος, διηλεκτρικά ανισότροπο υλικό, και μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές δομές: ρουτίλιο, ανατάσιο και βρουκίτης (rutile, anatase και brookite). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε TiO2 με δομή ανατασίου σε μορφή νανοεγκλεισμάτων με μέση διάμετρο μικρότερη από 25 nm. Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά συγκέντρωσης 3, 5, 7, 10 και 12 phr σε TiO2 καθώς επίσης και δείγματα καθαρής ρητίνης τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως δείγματα αναφοράς. Από τον μορφολογικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων που πραγματοποιήθηκε με Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM) προκύπτει ότι έχει επιτευχθεί καλή διασπορά των εγκλεισμάτων στην πολυμερική μήτρα. Επομένως η παρασκευή των δειγμάτων χαρακτηρίζεται επιτυχής. Ο θερμικός χαρακτηρισμός έγινε με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC). Στα θερμοδιαγράμματα που ελήφθησαν φάνηκε μικρή τάση αύξησης της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) στα σύνθετα δείγματα σε σχέση με το δείγματα αναφοράς. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS). Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα έλαβαν χώρα ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων σε εύρος από 0.1Hz ως 1MHz και σε περιοχές θερμοκρασιών από -100οC ως 150οC με βήμα 10οC. Όλη η διάταξη είναι συνδεδεμένη με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ταυτόχρονο έλεγχο και αποθήκευση των δεδομένων. Παρατηρήθηκαν διεργασίες χαλάρωσης οι οποίες αποδίδονται στην πολυμερική μήτρα, οι οποίες εμφανίστηκαν τόσο στα σύνθετα δείγματα όσο και στα δείγματα αναφοράς. Οι διεργασίες αυτές είναι η α-χαλάρωση, που σχετίζεται με την υαλώδη μετάβαση της πολυμερικής μήτρας, η γ-χαλάρωση, που είναι ο πιο γρήγορος μηχανισμός και αποδίδεται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις μικρών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας, και η β-χαλάρωση που προέρχεται από τον επαναπροσανατολισμό πλευρικών ομάδων της πολυμερικής αλυσίδας. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων και στα σύνθετα υψηλής συγκέντρωσης σε TiO2, παρατηρήθηκε η διεργασία IDE (Intermediate Dipolar Effect), η οποία αποδίδεται στην ενισχυτική φάση. Επιπλέον, στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων και υψηλών θερμοκρασιών παρατηρήθηκε και το φαινόμενο της Διεπιφανειακής πόλωσης (IP) Σε όλες τις συγκεντρώσεις η β-χαλάρωση παρουσιάζει εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius, ενώ η εξάρτηση της α- χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). Εξετάστηκε τέλος, η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των σύνθετων δειγμάτων, η οποία φάνηκε να αυξάνεται αυξανομένης της συγκέντρωσης της ενισχυτικής φάσης. Από τη σύγκριση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας σε νανοσύνθετα δείγματα και σε μικροσύνθετα δείγματα με εγκλείσματα TiO2, φάνηκε γενικά ότι τα νανοσύνθετα παρουσιάζουν πολλαπλάσια ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας συγκριτικά με τα μικροσύνθετα ίδιας περιεκτικότητας.