SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS ANYAGOK Polimer mátrixú nanokompozitok Szebényi Gábor

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

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

3. Polimer nanokompozitok a gyakorlatban

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

5. Szén nanocsövek Szakítószilárdság [GPa]

6. Grafén

7. 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 alapfeltételea 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)

8. 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)

9. 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

10. 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)

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

12. 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

13. 1630 Besugározatlan EP+10 m% VE 25 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE 50 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE 100 kGy dózissal kezelt EP+10 m% VE Vinilészter elektronbesugárzással iniciált térhálósítása A vinilészter térhálósodása elektronbesugárzás hatására erősítetlen próbatestekben

14. Hibrid kompozitok mechanikai tulajdonságai

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

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

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

19. 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

20. 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

21. Társítás nanorészecskékkel II.

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

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

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

26. 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.

27. 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

28. 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 • Szénszálerősítésűepoxi + poliakrilnitril nanoszálas szálpaplan A rétegek közé helyezett nanoszálas minták vizsgálata dinamikus behatások esetén.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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 karbonizációvalszén 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.

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

35. 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

36. Önjavító rendszerek

37. Önjavító rendszerek

38. Köszönöm a figyelmet! NNA-P3-T1