SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS ANYAGOK Polimer mátrixú nanokompozitok Szebényi Gábor Egyetemi tanársegéd Budapest 2011. december 13. NNA-P3-T1

Fő kutatási irányok Nanokompozitok Hibrid nanokompozitok Nanoszálak Nanostrukturált hibrid gyanták Önjavító rendszerek NNA-P3-T1

Polimer nanokompozitok a gyakorlatban

Fizikai tulajdonságok Rétegszilikátok – Montmorillonit Fizikai tulajdonságok Fajlagos felület: <750 m2/g E=180-260 GPa Rétegtávolság: 1-3 nm Rétegvastagság: 0,98 nm Nedvszívó

Húzó rugalmassági modulus Szén nanocsövek Szakítószilárdság [GPa] Tulajdonság Mértékegység SWCNT MWCNT Fajlagos felület [m2/g] 1300 200 Sűrűség [g/cm3] 0,8 1,8 Húzó rugalmassági modulus [TPa] ~1 ~0,3-1 Szakító szilárdság [GPa] 50-500 10-60

Húzó rugalmassági modulus Grafén Tulajdonság Mértékegység Grafén Fajlagos felület [m2/g] 2630 Sűrűség [g/cm3] 0,8 Húzó rugalmassági modulus [TPa] ~1 Szakító szilárdság [GPa] 130

Polimer nanokompozitok Nanokompozit: olyan polimer rendszer, melyben a folytonos polimer fázis mellett minimum egy dimenzióban nanométeres (1-200 nm) heterogenitás található. A tulajdonságok javulásának egyik alapfeltétele a nanorészecskék homogén diszperziójának létrehozása, eloszlatása a mátrix polimerben. Nanokompozitok előállítása nagy nyíróerővel (mátrix: ömledék állapotban) In situ polimerizáció (mátrix: monomer formában) Oldószeres eljárás (mátrix: oldott állapotban)

Hibrid kompozitnak nevezünk minden olyan erősített rendszert, amely többféle erősítő-, vagy mátrixanyagot tartalmaz. Többfalú szén nanocső (MWCNT, Baytubes BT 150 HP) Mátrixanyag: Epoxigyanta Epoxigyanta + vinilészter Szénszál (Zoltek PX35 FBUD0300)

Közvetlen keverés hengerszéken Előnye: termelékeny, hatékony Hátránya: kb. 1 Pas alsó viszkozitás korlát FM-20 lamináló gyanta, 25°C hőmérsékleten FM-20 lamináló gyanta + 0,5 tömeg% MWCNT

MWCNT-k eloszlatása alacsony viszkozitású gyantákban Kiindulási viszkozitás 0,1 Pas Termelékenység és hatékonyság fenntartása Közvetlen keverés erős nyírású zárt keverőben (DM) Mesterkeverékes keverés (MB)

Mesterkeverékes technológiával előállított minta vizsgálata TEM-mel AH-12 – T-58 epoxigyanta + 0,3 tömeg% mesterkeverékes technológiával (MB) eloszlatott MWCNT

FM-20 – T-16 epoxigyanta + 2 tömeg% MWCNT elektronbesugárzása Besugárzási paraméterek: 8 MeV elektron energia 100 kGy besugárzási dózis 10 Gy/s dózissebesség Légköri körülmények A – kezeletlen minta B – besugárzott minta

Vinilészter elektronbesugárzással iniciált térhálósítása 1630 50 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE 100 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE Besugározatlan EP+10 m% VE 25 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE A vinilészter térhálósodása elektronbesugárzás hatására erősítetlen próbatestekben

Hibrid kompozitok mechanikai tulajdonságai

Hibrid kompozitok mechanikai AFM felvételei Hagyományosan (a) és elektronsugárzással (b) térhálósított 0,3 tömeg% szén nanocsövet és 50 tömeg% vinilésztert tartalmazó epoxigyanta AFM fázis felvétele

I. törési mód II. törési mód III. törési mód A mérési elrendezés Próbatest AE érzékelő Skála a vizuális repedéskövetéshez Befogófül Rögzítőcsap Közvetítő elem Befogószerkezet A mérési elrendezés

Termoplasztikus elasztomerek I. Hő hatására könnyen, reverzibilisen felbontható fizikai térháló A szegmensek termodinamikailag összeférhetetlenek Két fő csoport: Keverékek Blokk-kopolimerek

Termoplasztikus elasztomerek II. Egyesítik két anyagcsoport előnyös tulajdonságait: Rugalmas viselkedés felhasználási hőmérsékleten, de Megolvaszthatók, ömleszthetők (fröccsönthetők, extrudálhatók) Nagyon jól társíthatók más anyagokkal Fém- és kerámia felületen is jól tapadnak Egyszerűbb újrahasznosíthatóság Nincs szükség bonyolult receptúrára Hátrányaik: Kúszás és feszültségrelaxáció Gyenge vegyszer- és hőállóság Alacsony hőstabilitás Drágább alapanyag Korom nem használható töltőanyagként

Társítás nanorészecskékkel Rétegszilikátok: Kisebb elasztomer részek, jobb homogenitás Rugalmassági modulusz, folyáshatár növekedés Jelentős csökkenés a hőtágulási együtthatóban Szén nanocsövek: Szakító szilárdság, rugalmassági modulusz, folyáshatár növekedés Grafén: Üvegesedési, olvadási, bomlási hőmérséklet növekedés Szakító szilárdság, rugalmassági modulusz növekedés Hőstabilitás javítása, égésgátlás, lángkioltó képesség Alumínium-oxid-hidroxid: Rugalmassági modulusz, szakadási nyúlás növekedés Bomlási hőmérséklet növekedés

Társítás nanorészecskékkel II.

Próbatestek készítése és vizsgálata Alapanyagok: Próbatestek gyártásának lépései: Belső keverő Préselés Piskóta próbatestek kivágása TPE MMT CNT GNP AlO(OH) Vizsgálatok: Szakítóvizsgálat, kezdeti hiszterézissel Pásztázó elektronmikroszkópia

Elektronmikroszkópos felvételek I. TPE TPE+GNP TPE+CNT TPE TPE+GNP TPE+CNT

Elektronmikroszkópos felvételek II. TPE+AlO(OH) TPE+AlO(OH) TPE+AlO(OH) TPE+MMT TPE+MMT TPE+MMT

Az elektro-szálképzés (electrospinning) Jellemző szálátmérő: 10 nm - 5 µm között, jól szabályozható (Szabad szemmel jellemzően nem is látható) Szálhossz: Potenciálisan végtelen (szálvégek nem kimutathatók) Struktúra: Jellemzően rendezetlen szálpaplan, szálak között kötéspontok (Előnyös: nem rákkeltő, nincsen szilikózis veszély, egészségre ártalmatlan, hagyományos textilipari eljárásokkal feldolgozhatók) Alapanyag: Polimerek, adalékolt polimerek, stb. Az alapanyag rendszerint oldat, de lehet ömledék is Az eljárás: A szálak nyújtására a hagyományos szálképzési eljárásokkal szemben nem mechanikai, hanem elektrosztatikus erőket használ fel. Már 1902-ben felfedezték, de csak az utóbbi években vált jelentős kutatási területté: Szűréstechnika, gyógyszerkészítmények, mesterséges szövetek vázanyaga, szenzorok, napelemek stb.

A szálképzés rendszerint cseppből történik A szálképzés rendszerint cseppből történik. A csepp az elektrosztatikus erők hatására megnyúlik, a hegyén kilép egy folyadéksugár, ami elvékonyodik. Az oldószer elpárolog és a folyadéksugár szálakká szilárdul. A fellépő instabilitások hatására a szálak véletlenszerűen rakódnak le a földelt gyűjtő-elektródára. NNA-P3-T1

Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása nanoszálakkal Kompozitokban alkalmazva nem okoz jelentős tömegnövekedést, vagy méretváltozást, ha mikroszálas rétegek közé nanoszálas rétegeket helyezünk A nanoszálak és nanopórusok kiválóan gátolják a repedésterjedést és a delaminációt Szénszálerősítésű epoxi + poliakrilnitril nanoszálas szálpaplan A rétegek közé helyezett nanoszálas minták vizsgálata dinamikus behatások esetén.

Kompozitok rétegközi tulajdonságainak javítása nanoszálakkal – ejtődárdás vizsgálatok Perforációs energia (vastagsággal korrigált érték): Nanoszálas minta: 1,76 ± 0,13 J/mm Referencia minta: 1,25 ± 0,11 J/mm Ami 41%-os, szignifikáns növekedést jelent! A perforációhoz tartozó behatolási mélység (feltételezve, hogy a dárda nem lassul le jelentősen a lyukasztás során): Nanoszálas minta: 5,45 ± 0,15 mm Referencia minta: 4,57 ± 0,20 mm Ami közel 20%-os növekedést jelent! 1 g/m^2 nanoszál behelyezése után, tehát a tömeg gyakorlatilag nem növekedett meg. A nanoszálas rétegközi társítás képes szívósabbá tenni CF/EP kompozitokat dinamikus igénybevételek esetében.

Egyedi elektro-szálképző berendezés fonalak folytonos üzemű előállításához Változtatható paraméterek: elhúzási sebesség, oldat térfogatáram, szálképzési köz, tápfeszültség, tekercselő magassága, stb. A végeredmény egy nanoszálas fonal, ami a hagyományos textilipari technológiákkal: szövés, fonatolás stb. feldolgozható. A tulajdonságai tág határok között szabályozható.

Nanoszálas szálkötegek és fonalak előállítása Kimutattuk, hogy speciális kialakítású folyadék-szálgyűjtő elektróda eredményesebb, mint az irodalomban tárgyaltak. A szálak tönkremeneteli folyamatát egy számítógépes modellel elemeztük és arra a következtetésre jutottunk, hogy a nanoszálas anyagok tönkremenetele eltér a mikroszálas anyagokétól, ami a leendő termékek méretezésében is eltérést jelenthet.

Fonalminták előállítása Alapanyagként poliakrilnitrilt használunk (PAN), ami a hagyományos szénszálgyártás legnépszerűbb alapanyaga. Akár 3 méter/perc előállítási sebesség a laboratóriumi méretű berendezéssel, folytonos üzemmódban! A szén nanocső-töltés teszi lehetővé a nagyobb elhúzási sebességeket, nem szakad el a fonal. Emellett a szálakat is erősítik, esetleg javíthatják a grafitosodási hajlamot Igazoltuk, hogy a szén nanocsövek (kb. 10 nm átmérő) a szálképzés során a nanoszálak (kb. 100-500 nm) átmérő belsejébe kerülnek.

Nanoszálas szálkötegek és fonalak előállítása Speciális kialakítású, saját fejlesztésű folyadék-szálgyűjtő elektróda és megfelelő elhúzás alkalmazásával nagyfokú szálorientáció érhető el. A PAN fonalból oxidációval majd karbonizációval szén nanoszálakat állíthatunk elő a hagyományos szénszálgyártáshoz hasonló módon. A szálátmérő jellemzően 350 nm (az oxidációt megelőzően) a fonal struktúrán belül. Az oxidáció során jelentős orientáció-növekedés érhető el. A fonal hosszát tekintve akár kétszeresére is nyújtható.

Fonal keresztmetszete (SEM) PAN PAN+0,5% MWCNT

Egy nanoszerkezetű, szénszálas erősítőanyagot állítunk elő, ami alternatívája lehet a hagyományos szénszálaknak és hagyományos technológiákkal feldolgozható, valamint üzemi méretekben is előállítható. A kutatások során foglalkozunk: -az egyedi nanostruktúra kialakításával, -mechanikai tulajdonságok optimálásával, -a tönkremeneteli folyamatok mechanikai leírásával -a karbonizációval, mint thermokémiai eljárással, -a termék nagyüzemi gyártásának megalapozásával - nanoszálas szerkezetek kompozitipari alkalmazásaival

Önjavító rendszerek

Önjavító rendszerek

Köszönöm a figyelmet! NNA-P3-T1