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Effect of graphene nanoplatelets and carbon nanotubes in PEEK and PEEK/carbon fibre composites

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2019-06
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2019-06-18
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Recently, some industries such as aeronautic, automobile or electronic require a new generation of polymeric matrix composite materials with new properties and functionalities. For example, high electrical and thermal conductivity, which keep their mechanical properties, thereby enabling use in structural applications. Another important aspect is the recyclability at the end of material life. An example of the new generation of polymeric matrix composite materials is the multiscale and multifunctional materials using a thermoplastic matrix in which the properties of the polymer matrix have been modified with the appropriate additives. As a previous stage to the development of the materials described above, the effects produced by the addition of two carbon-based nanofillers: graphene nanoplatelets and carbon nanotubes, using as a matrix a high-performance polymer, polyetheretherketone (PEEK) have been studied in this thesis. Furthermore, the composite materials used in the current work were fabricated using industrial processes (melt-compounding and injection-moulding). The multiscale materials (carbon fibre laminates) were created through a novel two-step film stacking process. Both nanofillers increased the viscosity of PEEK, making its processing even more challenging. In the case of the carbon fibre laminates, the high viscosity of the nanocomposite matrix produced an increase in the thickness of the laminate and the volume fraction of the matrix. The addition of graphene nanoplatelets and carbon nanotubes increased the mechanical properties, in addition to the thermal conductivity of PEEK. However, only high percentages of carbon nanotubes (5 and 10 wt.%) produced a significant improvement in the electrical conductivity of PEEK. In the case of carbon fibre laminates, the addition of nanofillers increased the elastic modulus, but the rest of the mechanical properties decreased. Both nanoreinforcements increased the electrical and thermal conductivity of the laminates in through-thickness direction. On the other hand, the volume fraction of carbon fibre played a key role in the in-plane electrical and thermal conductivity.
En los últimos años, algunas industrias como la aeronáutica, el automóvil o la electrónica precisan de una nueva generación de materiales compuestos poliméricos con nuevas propiedades y funcionalidades, como por ejemplo una alta conductividad térmica o eléctrica, pero que al mismo tiempo mantengan las propiedades mecánicas para ser utilizados en aplicaciones estructurales. Otro aspecto cada vez más importante es la reciclabilidad tras la vida útil del material. Un ejemplo de la nueva generación de materiales compuestos de matriz polimérica podrían ser los materiales compuestos multiescala y multifuncionales de polímeros termoplásticos, en los cuales las propiedades de la matriz polimérica han sido modificadas con los aditivos apropiados. Como etapa previa al desarrollo de los materiales descritos anteriormente, en ésta tesis se han estudiado los efectos que produce la adicción de dos refuerzos basados en carbono; nano-plaquetas de grafeno y nanotubos de carbono en las propiedades de un polímero de altas prestaciones, polieteretercetona (PEEK). Además, durante la presente tesis se han fabricado: materiales compuestos utilizando procesos industriales (mezclado en fundido y moldeo por inyección) y materiales multiescala con fibra de carbono, desarrollando un novedoso proceso de fabricación en dos pasos en prensa de platos calientes. Ambos refuerzos incrementan la viscosidad del PEEK, haciendo su procesado aún más difícil. En el caso de la fabricación de laminados con fibra de carbono, la alta viscosidad de los materiales compuestos que formaban la matriz provoco un aumento del espesor del laminado y la fracción volumétrica de la matriz. La adicción de ambos refuerzos aumento las propiedades mecánicas, así como la conductividad térmica del PEEK. Sin embargo, solos los nanotubos de carbono en altos porcentajes (5 y 10 wt.%) supusieron una mejora sustancial en la conductividad eléctrica del PEEK. En el caso de los materiales multiescala con fibra de carbono, la adicción de los refuerzos incremento el modulo elástico, pero supuso una mengua en el resto de propiedades mecánicas. Ambos nano-refuerzos incrementaron la conductividad eléctrica y térmica de los laminados en la dirección del espesor, siendo el porcentaje de fibra de carbono decisivo en las conductividades del laminado en la dirección de la fibra.
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Keywords
Polymeric matrix composite materials, Polymer matrix nanocomposites, PEEK composites, Polyetheretherketone, Carbon nanotubes, Thermomechanical properties
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