High performance polypropylene nanocomposites with enhanced thermal properties

Abstract

Polymers are generally considered versatile materials, which present interesting properties such as low density, easy processibility, high flexibility and low price. However, the continuous progress of research and technology demands materials with improved properties, able to withstand extreme conditions and wear. According to these specifications, polymer nanocomposites were developed in order to achieve a significant enhancement of the physicochemical properties of neat polymers with the introduction of small amount of fillers in the nanodimension. Almost all types of polymers such as thermoplastics, thermosets and elastomers have been used to produce polymer nanocomposites and one of the most popular polymers is polypropylene. Towards this direction, three fillers with different structural and geometrical characteristics were used in the current thesis (silica nanoparticles, multi walled carbon nanotubes and montmorillonite clays) for their insertion into a polypropylene matrix and ultimately the production and in-depth study of their final properties. Initially, the polypropylene matrix that was used, exhibited complex structure due to the presence of ethylene units which disrupted the sequence of the main macromolecular chains and the insertion of a β-nucleating agent. Furthermore, different preparation methods and techniques were applied for each set of nanocomposites in order to observe their effect on the dispersion and adhesion of the fillers into the polymeric matrix. Neat and surface-modified fillers were prepared and compatibilizers were added in different sets of samples. Each filler affected in different aspects the nanocomposite material and the study was focused on the structural characteristics and modifications caused by the fillers, the thermal stability and the thermal degradation kinetics, along with the nucleation effects and the influence of each filler on the crystallization temperature and kinetics. Empasis was given to the structure-property relationships and especially the mechanical properties in comparison with the transmission electron microscopy images and x-ray diffraction characteristics. Various micromechanical models were applied on the experimental data in order to export conclusions regarding the interfacial interactions between the matrix and the fillers. Finally, an in-depth study was performed on the thermal degradation kinetics for all the prepared samples and isoconversional and model-fitting procedures were followed for the calculation of the respective activation energies.

Τα πολυμερή θεωρούνται γενικώς ευέλικτα υλικά, τα οποία παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες ιδιότητες όπως χαμηλή πυκνότητα, υψηλή ευκαμψία, είναι εύκολα επεξεργάσιμα και έχουν χαμηλή τιμή. Παρ’όλα αυτά η συνεχής πρόοδος της έρευνας και τεχνολογίας απαιτεί υλικά με βελτιωμένες ιδιότητες, τα οποία μπορούν να ανταπεξέλθουν σε ακραίες συνθήκες και υψηλή φθορά. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές με τις οποίες αρχικά σχεδιάστηκαν, τα νανοσύνθετα πολυμερή μπορούν να επιδείξουν βελτιωμένες και ενδιαφέρουσες φυσικοχημικές ιδιότητες, μέσω της εισαγωγής νανοσωματιδίων σε πολυμερική μήτρα. Σχεδόν όλοι οι τύποι πολυμερικών υλικών έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή νανοσύνθετων πολυμερών και ένα από τα πιο δημοφιλή πολυμερή είναι το πολυπροπυλένιο. Σ’αυτή λοιπόν την κατεύθυνση, τρία νανοπρόσθετα με διαφορετικα δομικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά (νανοσωματίδια πυριγενούς διοξειδίου του πυριτίου, νανοσωλήνες άνθρακα και μοντμοριλλονίτης) χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή για την εισαγωγή τους σε μήτρα πολυπροπυλενίου και την μετέπειτα μελέτη των ιδιοτήτων τους.Αρχικά, η μήτρα πολυπροπυλενίου που χρησιμοποιήθηκε, επιδείκνυε σύνθετη δομή λόγω της παρουσίας χαμηλού ποσοστού αιθυλενίου, το οποίο διερρήγνυε την συνοχή των κύριων μακρομοριακών αλυσίδων του πολυπροπυλενίου, αλλά και της εισαγωγής ενός παράγοντα πυρηνοποίησης β-κρυστάλλων. Επιπλέον, διαφορετικές μέθοδοι παρασκευής ακολουθήθηκαν για κάθε σετ νανοσύνθετων υλικών, για την μελέτη της επίδρασης κάθε μεθόδου στην διασπορά και πρόσφυση των νανοσωματιδίων με την πολυμερική μήτρα. Καθαρά και χημικά τροποποιημένα νανοπρόσθετα και συμβατοποιητές χρησιμοποιήθηκαν σε διαφορετικά σετ υλικών. Κάθε νανοπρόσθετο είχε διαφορετική επίδραση στο νανοσύνθετο υλικό και η μελέτη εστιάστηκε στα δομικά χαρακτηριστικά και τις μετατροπές που προκλήθηκαν από την παρουσία των νανοπρόσθετων, στην θερμική σταθερότητα και στην κινητική θερμικής αποικοδόμησης, μαζί με την πυρηνοποίηση και επίδραση κάθε νανοπρόσθετου στην θερμοκρασία και κινητική της κρυστάλλωσης. Δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στα συγκριτικά αποτελέσματα δομης-ιδιοτήτων και ειδικότερα στις μηχανικές ιδιότητες συγκριτικά με τα πειράματα ακτίνων Χ και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης. Διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης μηχανικών ιδιοτήτων εφαρμόστηκαν στα πειραματικά αποτελέσματα ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα αναφορικά με τις αλληλεπιδράσεις μήτρας-νανοπρόσθετου. Τέλος έγινε μελέτη σε βάθος πάνω στην κινητική των φαινομένων θερμικής αποικοδόμησης για κάθε σετ υλικών, ενώ ισομετατροπικές μέθοδοι και μέθοδοι προσομοίωσης με μαθηματικά μοντέλα εφαρμόστηκαν στα πειραματικά αποτελέσματα για τον προσδιορισμό της ενέργειας ενεργοποίησης και των υπόλοιπων κινητικών παραμέτρων.