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English title:
Enhancement of the mechanical properties of carbon polymer nanocomposites through the simultaneous application of ultrahigh shear rates and very high pressures
Spanish title:
Mejora de las propiedades mecánicas de nanocomposites poliméricos de carbono a través de la aplicación de muy altas presiones y cizalladura
English abstract:
In many of the main industrial sectors such as automotive or aerospace, composite materials are meant to be the alternative to metallic materials. Among its benefits, the light-weighting of transportation can reduce considerably the fuel consumption and the emissions. However, its mechanical properties are still far away from the metallic materials. Graphene and its derivatives are emergent materials causing significant impact in numerous research fields. Their excellent mechanical, thermal, optical, and electrical properties make them attractive alternatives for multiple applications, the enhancement of the mechanical properties of materials is among them when used as nanofiller. For instance, from the theoretical point of view, the addition of graphene or graphene oxide to a polymer matrix considerably improves its mechanical properties -stiffness, strength, toughness-. However, from the experimental standpoint, the improvement is, by far, smaller than expected. This phenomenon is generally explained by four causes: the weak interface between the nanofiller and the matrix, the nanofiller misalignment, the non-homogeneous dispersion, and the nanofiller quality (big lateral size implies better mechanical behavior, a small number of layers leads to better performance, an increase of the number of defects and number and nature of free radicals worsen the mechanical properties but at the same time helps epoxy-filler adhesion). Current researches focus on these issues. Chemical functionalization of the polymer is a popular solution, however, the worsen of other mechanical properties of the material, the use of additional chemicals in the process, and high cost are still not solved. In this work, a novel polymer nanocomposite manufacturing technique, which allows for a remarkable enhancement of the mechanical properties has been developed and optimized. The method allows for an improvement of the dispersion level and the nanofiller matrix interfacial adhesion and a reduction of the number of layers at each graphene or graphene oxide flake. The technique is based on the simultaneous application of high pressures and ultra-high shear rates. A considerable number of specimens have been manufactured with different parameter combinations. Young’s modulus, tensile strength, loss factor, and fracture toughness standardized tests were performed. Clear improvements were detected, especially in treated neat epoxy. For understanding the mechanisms that lead to the improvements, specimens were analyzed by different microscopy and spectroscopy techniques. Results show that the length of the polymer chains is substantially increased. In order to quantify the effect of the macro and nanoscale mechanisms leading to the measured improvements, a multiscale tool is also built in this thesis, that individually measures the influence of the nanofiller-matrix interfacial characteristics, as well as the nanofiller properties, dispersion, and orientation state.
Spanish abstract:
En muchos de los principales sectores industriales, automovilístico y aeronáutico especialmente, los materiales compuestos están llamados a ser la alternativa a los materiales metálicos. Entre sus ventajas, destacar las considerables reducciones de peso que conllevan una reducción de consumo energético y de emisiones. Sin embargo, sus inferiores propiedades mecánicas y en algunos casos su alto coste los mantiene a la sombra de materiales como acero o aluminio. En la última década, el grafeno y sus derivados han atraído una considerable atención. Sus excelentes propiedades mecánicas, ópticas, térmicas y eléctricas lo convierten en una versátil alternativa en distintas aplicaciones. Siendo una de las principales su uso como refuerzo (“filler”) de matrices poliméricas, los materiales compuestos. Considerando el coste actual de este tipo de refuerzos y sus prometedoras propiedades, desde el punto de vista teórico, pequeñas adiciones de materiales grafénicos a una matriz polimérica conllevan notables mejoras en las propiedades mecánicas del mismo. Sin embargo, en la práctica, la mejora es escasa o hasta nula en ciertos casos. Este fenómeno es generalmente debido a cuatro causas principales: la débil interfaz matriz-nanofiller, la orientación, la dispersión, el tipo de filler y la calidad de este (en especial la sección lateral). El conocimiento en profundidad y el control de estos factores implicaría un acercamiento a los valores teóricos esperados. Por ello muchas investigaciones actuales están centradas en subsanar estas cuestiones. En la literatura presente, los métodos de funcionalización del polímero destacan como respuesta más popular y efectiva. Mediante la modificación de la cadena química de la matriz, se facilita la adhesión y dispersión del filler. Sin embargo, la desventaja de estos métodos es que conllevan el uso de elementos químicos, generalmente muy ácidos, que pueden dañar la cadena polimérica, son altamente contaminantes, tienen un efecto negativo sobre otras propiedades y un coste asociado. Ante esta problemática, en esta investigación se plantea un método de mejora puramente mecánico basado en la exposición del material a altas presiones y esfuerzos de cortadura. A través de este sencillo método, que no modifica ni daña la cadena polimérica principal, económicamente viable, escalable y medioambientalmente respetuoso se muestran mejoras considerables en las propiedades mecánicas, especialmente en la energía de fractura en los materiales poliméricos. Módulo de Young, resistencia a fractura y energía de fractura fueron analizados en un número representativo de muestras. Además a nivel microscópico se analizaron los cambios en la cadena polimérica, mostrando alargamientos en la cadena polimérica del mismo.
Topic:
Presentation Type:
Speaker:
Authors
Name
Institution
Email
Guillermo Fernández Zapico
Triboblend
guillermo.fernandez@triboblend.com
Presentation
Room:
Earth
Date:
2 June 2021
Hour:
08:40 - 09:10
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