Publication: Mechanical and multifunctional properties of polymer composites based on nano-structures
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Publication date
2017-12
Defense date
2017-12-14
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Abstract
The continuous development of industries, such as aerospace, automobile or energy, requires a new generation of polymer composites with novel functionalities, i.e. desired values of thermal and electrical conductivities, while maintaining their mechanical properties to be used in structural applications. One example of this new generation of composites could be hybrid fibre-reinforced polymers, consisting in fibre-reinforced polymers in which the matrix is appropriately modified with fillers.
As a first step in the above mentioned approach, in this thesis the modification of polymers with different carbon-based fillers is analysed. Graphite nanoplatelets and carbon nanotubes were used to prepare polypropylene composites. Both fillers provided modest improvements on mechanical properties, while the electrical conductivity of the CNT composites was comparable to similar materials previously reported. The third filler was a novel micron-scaled carbon material which exhibited potential to perform as reinforcing agent in polymeric matrices. It was found that the filler significantly enhanced the thermal stability of the composites, while having modest effect on their thermal conductivity and mechanical behaviour.
In order to produce polymer composites with specific combination of properties, hybrid carbon-based fillers, using spherical micro- and nano-particles as substrates, were obtained by the chemical vapour deposition technique (CVD).
The first developed hybrid filler consisted in alumina nanoparticles and carbon nanotubes and it was used as filler for epoxy matrix composites. The obtained composites showed enhanced thermal and electrical conductivity compared with the neat matrix, although having similar mechanical behaviour. Finally, hollow glass microspheres with carbon nanofibres grown on its surface were obtained and then dispersed within a urethane acrylate resin. The main characteristic of the resulting composites is their low density and thermal conductivity while having higher electrical conductivity, compared to the neat resin
El continuo desarrollo de industrias como la aeroespacial, del automóvil o de la energía, requiere una nueva generación de materiales compuestos poliméricos con nuevas características, como niveles deseados de conductividades térmicas y eléctricas, y que al mismo tiempo mantengan unos niveles de propiedades mecánicas adecuados para ser usados en aplicaciones estructurales. Un ejemplo de materiales compuestos poliméricos mejorados podrían ser los materiales compuestos híbridos de matriz polimérica reforzados con fibras, en los cuales la matriz polimérica está modificada con los refuerzos apropiados. Como primera etapa en el desarrollo de los materiales anteriormente mencionados, en ésta tesis se han analizado varios polímeros modificados con diferentes refuerzos basados en carbono. Se han empleado nanoplaquetas de grafito y nanotubos de carbono para la preparación de materiales compuestos de matriz polipropileno. Ambos refuerzos proporcionaron ligeros aumentos de las propiedades mecánicas, mientras que la conductividad eléctrica de los materiales con nanotubos de carbono es comparable a la de materiales similares reportados en la literatura disponible. El tercer material es un novedoso refuerzo micrométrico basado en carbono, que ha sido empleado para el procesado de materiales compuestos de polipropileno. Éste refuerzo mejoró significativamente la estabilidad térmica del polipropileno al mismo tiempo que produjo mejoras más modestas en conductividad térmica y propiedades mecánicas. Con el objetivo de obtener materiales compuestos con las combinaciones deseadas de propiedades, se han obtenido materiales híbridos en estructuras de carbono por medio de un proceso de deposición química en fase vapor. Para ello se han empleado partículas cerámicas micro y nanométricas. En primer lugar se ha desarrollado un material híbrido compuesto por nanopartículas de alúmina y nanotubos de carbono, usado como refuerzo para una resina epoxi. Los materiales compuestos obtenidos presentaron mayores niveles de conductividad térmica y eléctrica mayores comparados con la matriz sin modificar, sin embargo su comportamiento mecánico era similar al de la resina. En segundo lugar se han obtenido microesferas de vidrio huecas con nanofibras de carbono sintetizadas en su superficie. Éste material se ha usado como refuerzo de materiales compuestos con una resina uretano acrilato. Las principales características de los materiales desarrollados son su baja densidad y conductividad térmica y alta conductividad eléctrica, comparada con la resina pura.
El continuo desarrollo de industrias como la aeroespacial, del automóvil o de la energía, requiere una nueva generación de materiales compuestos poliméricos con nuevas características, como niveles deseados de conductividades térmicas y eléctricas, y que al mismo tiempo mantengan unos niveles de propiedades mecánicas adecuados para ser usados en aplicaciones estructurales. Un ejemplo de materiales compuestos poliméricos mejorados podrían ser los materiales compuestos híbridos de matriz polimérica reforzados con fibras, en los cuales la matriz polimérica está modificada con los refuerzos apropiados. Como primera etapa en el desarrollo de los materiales anteriormente mencionados, en ésta tesis se han analizado varios polímeros modificados con diferentes refuerzos basados en carbono. Se han empleado nanoplaquetas de grafito y nanotubos de carbono para la preparación de materiales compuestos de matriz polipropileno. Ambos refuerzos proporcionaron ligeros aumentos de las propiedades mecánicas, mientras que la conductividad eléctrica de los materiales con nanotubos de carbono es comparable a la de materiales similares reportados en la literatura disponible. El tercer material es un novedoso refuerzo micrométrico basado en carbono, que ha sido empleado para el procesado de materiales compuestos de polipropileno. Éste refuerzo mejoró significativamente la estabilidad térmica del polipropileno al mismo tiempo que produjo mejoras más modestas en conductividad térmica y propiedades mecánicas. Con el objetivo de obtener materiales compuestos con las combinaciones deseadas de propiedades, se han obtenido materiales híbridos en estructuras de carbono por medio de un proceso de deposición química en fase vapor. Para ello se han empleado partículas cerámicas micro y nanométricas. En primer lugar se ha desarrollado un material híbrido compuesto por nanopartículas de alúmina y nanotubos de carbono, usado como refuerzo para una resina epoxi. Los materiales compuestos obtenidos presentaron mayores niveles de conductividad térmica y eléctrica mayores comparados con la matriz sin modificar, sin embargo su comportamiento mecánico era similar al de la resina. En segundo lugar se han obtenido microesferas de vidrio huecas con nanofibras de carbono sintetizadas en su superficie. Éste material se ha usado como refuerzo de materiales compuestos con una resina uretano acrilato. Las principales características de los materiales desarrollados son su baja densidad y conductividad térmica y alta conductividad eléctrica, comparada con la resina pura.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Polymer composites, Thermoplastic polymers, Nanotechnology, Mechanical behavior, Mechanical behaviour, Materiales compuestos, Matriz polimérica, Polímeros termoplásticos, Ensayo de materiales, Resistencia de materiales