Πολυμερή Νανοσύνθετα Υλικά , ο δρόμος του μέλλοντος

1. Πολυμερή Νανοσύνθετα Υλικά, οδρόμος τουμέλλοντος Βαρελάς Βασίλειος 10ο εξάμηνο Σχολή Ε.Μ.Φ.Ε Σεμινάριο Φυσικής Επιβλέπων Καθηγητής: κ.Κοντού

2. Τι είναι τα πολυμερή? monomers Polymer

3. Χρήση filler σε πολυμερή συστήματα Ιδιότητες πολυμερών νανοσύνθετων εξαρτώνται από την μορφολογία του υλικού Αρχές 90 η Toyota χρησιμοποίησε Nylon6 νανοσύνθετα ,βελτίωση θερμικών και μηχανικών ιδιοτήτων Ομοσπονδιακή χρηματοδότηση νανοτεχνολογίας (464 εκατομμύρια το 2001 και 982 εκατομμύρια το 2005 ενώ το 2006 ο προυπολογισμός ήταν 1.052 εκ.) Εισαγωγή στα πολυμερή νανοσύνθετα

4. Background Info I Μεγάλη επιφάνεια τα υλικά στη νανοκλίμακα Ταξινόμηση υλικών από την γεωμετρία τους(nanoparticles, layered, ινώδη)

5. Δυο είδη δομών (παρεμβολική, αποφλοιωμένη) Η έρευνα για νανοστοιχεία είναι ευρεία και καλύπτει ένα ευρύ φάσμα περιοχών Background Info II

6. Συμβατικές Σύνθετες Τεχνικές Κατασκευής Οι κυριότερες μέθοδοι επεξεργασίας των πολυμερών νανοσύνθετων είναι : • Wet lay-up • Pultrusion • RTM (Resin Transfer Molding) • VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) • Autoclave processing • Filament winding • Fiber placement

7. ΤεχνικέςΧαρακτηρισμούΝανοσύνθετωνΤεχνικέςΧαρακτηρισμούΝανοσύνθετων • WAXD(wide-angle X-raydiffraction) • SEM (scanning electron microscopy) • TEM (transmission electron microscopy) • SAXS (small-angle X-ray scattering)

8. Nanoplatelet-ενισχυμένασυστήματα • Silicate clay minerals ( hectorite, saponite, montmorillonite (MMT) ) • Graphite (NFG) (παρόμοια γεωμετρία ,ορισμένα μόρια ή ιόντα παρεμβάλλονται ανάμεσα στα στρώματα του γραφίτη με αποτέλεσμα το διάστημα των επιφανειών να μεγαλώνει, με θέρμανσητης ένωσης παρεμβολής δημιουργείται expanded γραφίτης (EG) και παρατηρείται αύξηση του όγκου)

9. Micrograph (TEM) of the morphologyof montmorillonite (clay)

10. Δομήκαιιδιότητες (OrganicallyModified ClayPlatelets) • PLS νανοσύνθετα • Ενδιάμεσο στρώμα ή gallery • Ανταλλαγή ιόντων με κατιόντα • Πρέπει η υδρόφιλη επιφάνεια να γίνει organophilic για να έχω νανοσύνθετο υλικό

11. Ένας δύσκολος στόχος των ερευνητών είναι ο χωρισμός των tactoids έτσι ώστε να έχουμε ένα πραγματικό νανοσύνθετο

13. Nanoclay – ενισχυμένα σύνθετα • Κανονικός παρεμβολικός πολυμερισμός: πλεονέκτημα είναι το φαινόμενο tethering που επιτρέπει στην nanoclay οργανικη χημική ουσία να συνδεθεί με Nylon6 πολυμερείς αλυσίδες (εφαρμογές: θερμοπλαστικά , Nylon-MMT νανοσύνθετα)

14. Nanoclay-ενισχυμένα σύνθετα • Αποφλοίωση-προσρόφηση(κατασκευή clay νανοσύνθετων, Toyota-παραγωγή PI νανοσύνθετων) • Melt intercalation (θερμοπλαστικά νανοσύνθετα)

15. Αποφλοίωση νανοσύνθετων • Υψηλή ομοιογένεια φάσης • Για υψηλό βαθμό αποφλοίωσης λαμβάνουμε υπόψην παράγοντες όπως το ιξώδες, μήκος αλυσίδας, δομή αργιλίου • Ερευνητικές εργασίες από Park, Jiankun, Tolle και Anderson, Kormann, Pinnavaia • Για θερμοπλαστικά πολυμερή νανοσύνθετα έρευνες έγιναν από Ahn • Την αποφλοίωση των νανοσύνθετων γραφίτη μελέτησαν οι Shioyama ,Foukousima

16. Ιδιότητες και Εφαρμογές • Toyota, εργαστήριο ερευνών Αμερικάνικου στρατού, Koo και Pilato • Hussain (χρησιμοποίησε RTM), Fielding • Εφαρμογές:Chevrolet, General Motors, Honda, Mitsubishi, ερευνητές της NASA, Honeywell

17. Nanoplatelet- γραφίτη νανοσύνθετα • Με χρήση γραφίτη το πολυμερές γίνεται από μονωτής, ημιαγωγός • Μελέτες από Yasmin, Foukousima

18. Nanotube-ενισχυμένα συστήματα άνθρακα(Δομή και ιδιότητες CNTs) • 2 δομές • 3 διαφορετικές μορφολογίες

20. Σύνθεση CNTs • CVD (chemical vapor deposition) • Direct-arc discharge • laser ablation

21. Επεξεργασία CNTs: Διασπορά και ευθυγράμμιση • Η διασπορά των SWNTs και MWNTs σε μια πολυμερή μήτρα είναι από τις μεγαλύτερες προκλήσεις μέχρι σήμερα • Τα SWNTs θεωρούνται ως οι μελλοντικές ενισχύσεις για τα πολυμερή νανοσύνθετα της επόμενης γενιάς.

22. Ιδιότητες και Εφαρμογές • Μελέτη πάνω στην ενσωμάτωση CNTs στα άμορφα εύθραστα υλικά (PMMA) και τα ημικρυσταλλικά πολυμερή (PP) • WAXD έδειξε δομικές κρυσταλλικές αλλαγές • TEM και SEM εικόνες έδειξαν καλή διασκόρπηση και προσανατολισμό των CNTs • Εφαρμογές από τους Ren και O’Donell,Sprong (Boeing, Airbus με carbonnanotubereinforcedpolymer (CNRP))

23. Nanofiber-ενισχυμένα συστήματα (CNF) • Είναι μια μορφή ινών άνθρακα που καλύπτουν το κενό μεταξύ των ιδιοτήτων των συμβατικών ινών και των CNTs • Δομή σαν MWNTs ( περικομμένοι κώνοι κοίλοι στο κέντρο) • Catalytic CVD

24. Επεξεργασία, Ιδιότητες και Εφαρμογές • Πειράματα από Tandon, Glasgow, Finegal,Koo

25. Η προετοιμασία για τα ανόργανα νανοσύνθετα γίνεται με έναν ισχυρό ομοιοπολικό χημικό δεσμό Μέθοδοι επεξεργασίας :κανονικός πολυμερισμός Έχουν παρουσιάσει βελτιωμένες ιδιότητες ύστερα από μελέτες που έχουν γίνει από Jiang, Chen, Ma, Zhang Άλλα νανοσύνθετα συστήματα (ανόργανα πολυμερή νανοσύνθετα)

26. Τρέχουσες προκλήσεις στην επεξεργασία και στην κατασκευή των πολυμερών νανοσύνθετων • Πολλές προκλήσεις • Σε γενικές γραμμές υπάρχουν ελλείψεις σε μεθόδους χαρακτηρισμού, και στην υποδομή • Προώθηση νανοτεχνολογίας χρειάζεται εκπαίδευση επιστημόνων, μηχανικών και ακαδημαικών • Δύο μεγάλα άλυτα προβλήματα μέχρι τώρα

27. Υγεία και περιβαλλοντικές επιδράσεις • Το National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) υπολογίζει ότι το 42% του αμερικανικού εργατικού δυναμικού διατρέχει κίνδυνο δερμικής έκθεσης σε επικίνδυνα υλικά • Ο Shvedova έδειξε ότι η έκθεση κυττάρων σε CNT επιταχύνει την οξειδωτική τάση και μειώνει την συνολική αντιοξειδωτική δράση καθώς και την βιταμίνη Ε

28. Μελλοντική Προοπτική • Κρίσιμα ζητήματα παραμένουν • Βιοδιασπάσιμα νανοσύνθετα είναι υποσχόμενα μελλοντικά υλικά

29. Βιβλιογραφία • Review article: Polymer-matrixNanocomposites, Processing,Manufacturing, and Application: AnOverview (FARZANA HUSSAIN, MASAMI OKAMOTO, RUSSELL E. GORGA • Advances in Polymer-Filler Composites: Macro to Nano (Sudip Ray and Allan J. Easteal) • Polymer-Silicate Nanocomposites: Model Systems for Confined Polymers and Polymer Brushes (E. P. Giannelis R. Krishnamoorti E. Manias) • Polymer Nanocomposites:A Small Part of the Story (L.S. Schadler, L.C. Brinson, and W.G. Sawyer)