Development and functionality control of advanced nanocomposite materials for mechanical and electrical applications

Abstract

This thesis focuses on the research, development, and study of nanocomposite and composite materials with controllably modified characteristics (mechanical, electrical, and physical properties), such as tensile strength, flexural strength, Modulus of elasticity, dielectric constant, and conductivity. Advanced nanocomposite filaments were fabricated in this research following a melt mixing process to improve the mechanical and electrical functional properties of three-dimensional (3D) printed structures developed using commercially available Fused Filament Fabrication (FFF) 3D printers. Moreover, an extensive study has been made regarding the effect of multiple successive thermomechanical processes on the pure polymer matrices’ mechanical and physical properties, used in this study, to provide an insight of their sustainability and performance in material extrusion (MEX) 3D printing, in which the FFF process belongs.For this research, novel nanocomposite filaments made of Acrylonitrile butadiene styrene (ABS), High-density polyethylene (HDPE), and Low-density polyethylene (LDPE) matrices were developed in this study with incorporation of various filler concentrations of Graphene nanoplatelets, Titanium Dioxide, Zinc Oxide, Antimony Tin Oxide, and Magnetite for applications in fused filament fabrication (FFF), an approach not previously presented in the literature regarding the nanofillers used with these specific polymer matrices and the methodology applied in the current study, by using melt extrusion and 3D-Printing. The use of nanofillers can not only change but also considerably increase the mechanical response of a polymer matrix, according to the overall assessment of the results. This work aided in developing novel composite polymeric materials not only for 3D printing but for exploitation also in large-scale industrial extrusion use by offering in some cases more than a 50 % increase in tensile, impact, and or flexural strength when compared to unfilled polymer matrix parts.This thesis exploits the particular positive characteristics of the nanofillers, such as the large surface area interactions and their increased mechanical and electrical properties, to develop composites with various commercially available polymeric matrices to induce higher mechanical and electrical properties that the industry can benefit from.Finally, multiple characterization techniques were carried out to identify and analyze the structural condition of the produced specimens and the filament material, the effect on the thermal properties of the polymers used and the thermal properties of the composite and nanocomposite materials produced, and characterization techniques to get a glimpse of the fillers’ dispersion on each polymer matrix used along with the layer fusion in each case.Finally, in addition to the above research, it was found that heating processes can increase the mechanical properties of pure polymer matrices and even increase their mechanical strength for a certain number of heating repetitions i.e., melt extrusion and 3D printing. The best overall mechanical behavior was found between the third and the fifth heating repetition (reprocessing step), indicating a significant positive impact of the polymers’ reprocessing, besides the environmental one of possible reprocessing and recycling these types of polymers to reduce pollution waste. This part of the research was done to identify any effect the extrusion and 3D printing processes may have on the mechanical properties of the unfilled polymer before adding fillers.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην έρευνα, ανάπτυξη και μελέτη νανοσύνθετων και σύνθετων υλικών με ελεγχόμενα τροποποιημένα χαρακτηριστικά (μηχανικές, ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες), όπως αντοχή εφελκυσμού, αντοχή σε κάμψη, μέτρο ελαστικότητας, διηλεκτρική σταθερά και αγωγιμότητα. Προηγμένα νανοσύνθετα νήματα κατασκευάστηκαν σε αυτήν την έρευνα μετά από μια διαδικασία ανάμειξης τήγματος για τη βελτίωση των μηχανικών και ηλεκτρικών λειτουργικών ιδιοτήτων τρισδιάστατων (3D) εκτυπωμένων δομών που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας εμπορικά διαθέσιμους εκτυπωτές Fused Filament Fabrication (FFF). Επιπλέον, έχει γίνει μια εκτενής μελέτη σχετικά με την επίδραση πολλαπλών διαδοχικών θερμομηχανικών διεργασιών στις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες των μητρών καθαρού πολυμερούς, που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη, για να δοθεί μια εικόνα της βιωσιμότητας και της απόδοσής τους στην εκτύπωση 3D με εξώθηση υλικού (MEX), στην οποία ανήκει η διαδικασία FFF.Για αυτήν την έρευνα, αναπτύχθηκαν νέα νανοσύνθετα νήματα από ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρένιο (ABS), πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) και πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) σε αυτή τη μελέτη με ενσωμάτωση διαφόρων συγκεντρώσεων πληρωτικού υλικού νανοσωματιδίων γραφενίου, διοξείδιο του τιτανίου , οξείδιο ψευδαργύρου, οξείδιο του κασσιτέρου αντιμονίου και μαγνητίτης για εφαρμογές στην κατασκευή πολυμερικών νημάτων (FFF), μια προσέγγιση που δεν είχε παρουσιαστεί προηγουμένως στη βιβλιογραφία σχετικά με τα νανοπληρωτικά που χρησιμοποιούνται με αυτές τις συγκεκριμένες πολυμερείς μήτρες και τη μεθοδολογία που εφαρμόζεται στην τρέχουσα μελέτη, χρησιμοποιώντας εξώθηση τήγματος και 3D-Printing. Η χρήση νανοπληρωτικών όχι μόνο μπορεί να αλλάξει αλλά και να αυξήσει σημαντικά τη μηχανική απόκριση μιας πολυμερούς μήτρας, σύμφωνα με τη συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Αυτή η εργασία βοήθησε στην ανάπτυξη νέων σύνθετων πολυμερών υλικών όχι μόνο για τρισδιάστατη εκτύπωση αλλά και για εκμετάλλευση σε μεγάλης κλίμακας βιομηχανική χρήση εξώθησης, προσφέροντας σε ορισμένες περιπτώσεις περισσότερο από 50% αύξηση στην αντοχή σε εφελκυσμό, κρούση ή κάμψη σε σύγκριση με το καθαρό πολυμερές μέρη μήτρας.Αυτή η διατριβή εκμεταλλεύεται τα ιδιαίτερα θετικά χαρακτηριστικά των νανοπληρωτικών, όπως οι αλληλεπιδράσεις μεγάλης επιφάνειας και οι αυξημένες μηχανικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες, για την ανάπτυξη σύνθετων υλικών με διάφορες εμπορικά διαθέσιμες πολυμερείς μήτρες για την πρόκληση υψηλότερων μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων από τις οποίες μπορεί να επωφεληθεί η βιομηχανία. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πολλαπλές τεχνικές χαρακτηρισμού για τον εντοπισμό και την ανάλυση της δομικής κατάστασης των παραγόμενων δειγμάτων και του υλικού νήματος, της επίδρασης στις θερμικές ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων πολυμερών και των θερμικών ιδιοτήτων των σύνθετων και νανοσύνθετων υλικών που παράγονται, και τεχνικές χαρακτηρισμού για την εύρεση της διασπορά των πληρωτικών σε κάθε πολυμερή μήτρα που χρησιμοποιείται μαζί με το layer fusion σε κάθε δείγμα και περίπτωση.Τέλος, πέρα ​​από την παραπάνω έρευνα, διαπιστώθηκε ότι οι διαδικασίες θέρμανσης μπορούν να αυξήσουν τις μηχανικές ιδιότητες των μητρών καθαρού πολυμερούς και ακόμη και να αυξήσουν τη μηχανική τους αντοχή για έναν ορισμένο αριθμό επαναλήψεων θέρμανσης, π.χ. εξώθηση τήγματος και τρισδιάστατη εκτύπωση. Η καλύτερη συνολική μηχανική συμπεριφορά βρέθηκε μεταξύ της τρίτης και της πέμπτης επανάληψης θέρμανσης (βήμα επανεπεξεργασίας), υποδεικνύοντας σημαντική θετική επίδραση της επανεπεξεργασίας των πολυμερών, εκτός από την περιβαλλοντική πιθανή επανεπεξεργασία και ανακύκλωση αυτών των τύπων πολυμερών για μείωση των απορριμμάτων ρύπανσης. Αυτό το μέρος της έρευνας έγινε για τον εντοπισμό τυχόν επίδρασης που μπορεί να έχουν οι διαδικασίες εξώθησης και τρισδιάστατης εκτύπωσης στις μηχανικές ιδιότητες του καθαρού πολυμερούς πριν από την προσθήκη πληρωτικών.