Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10366
Title: Μηχανική συμπεριφορά αυτοεπουλωμένων υλικών
Other Titles: Mechanical behaviour of self-healing materials
Authors: Λουκόπουλος, Ανδρέας
Keywords: Αυτοεπούλωση
Μικροκάψουλες
Πολυμερή
Σύνθετα υλικά
Keywords (translated): Self-healing
Microcapsules
Polymers
Composite materials
Abstract: Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά και η ικανότητα επούλωσης αυτοεπουλώμενων υλικών με μικροκάψουλες. Στα υλικά αυτά, οι μικροκάψουλες βρίσκονται μέσα στη μήτρα και περιέχουν τον παράγοντα επούλωσης. Καθώς η ρωγμή διαδίδεται στο υλικό και συναντά τις μικροκάψουλες, αυτές σπάνε με αποτέλεσμα να διαχέεται ο παράγοντας επούλωσης. Στη συνέχεια ο παράγοντας επούλωσης με τη βοήθεια καταλύτη που περιέχεται ήδη στη μήτρα πολυμερίζεται και κλείνει τη ρωγμή. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είχαν ως μήτρα την εποξική ρητίνη Epon 828. Oι μικροκάψουλες μέσα στο υλικό βρίσκονταν σε συγκέντρωση 18% w/w ενώ οι καταλύτες σε συγκέντρωση 5% w/w. Για τον προσδιορισμό της αντοχής σε κάμψη για τα πολυμερή υλικά με μικροκάψουλες εκτελέστηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων (three point bending) στα οποία τα δοκίμια (δοκίμια αναφοράς) φορτίστηκαν μέχρι να αστοχήσουν ενώ για τον προσδιορισμό της ικανότητας αυτοεπούλωσης ακολουθήθηκε η εξής διαδικασία: Τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε κάμψη τριών σημείων με φορτίο μικρότερο του φορτίου αστοχίας. Στη συνέχεια παρέμειναν για μία μέρα για επούλωση και φορτίστηκαν ξανά μέχρι την τελική αστοχία. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και για πολυμερή χωρίς μικροκάψουλες. Η εκτίμηση της ικανότητας αυτοεπούλωσης έγινε συγκρίνοντας την αντοχή σε κάμψη των δοκιμίων με μικροκάψουλες, των δοκιμίων αναφοράς και των δοκιμίων χωρίς μικροκάψουλες. Για τα σύνθετα υλικά με μικροκάψουλες εκτελέστηκαν αρχικά πειράματα για τον προσδιορισμό της διαστρωματικής αντοχής σε διάτμηση (ILSS) όπου τα δοκίμια (δοκίμια αναφοράς) φορτίστηκαν μέχρι να αστοχήσουν ενώ για τον προσδιορισμό της ικανότητας αυτοεπούλωσης τα δοκίμια φορτίστηκαν αρχικά με φορτίο μικρότερο ή ίσο του φορτίου αστοχίας. Έπειτα, παρέμειναν για μία μέρα για επούλωση και φορτίστηκαν ξανά μέχρι να αστοχήσουν. Η εκτίμηση της ικανότητας αυτοεπούλωσης έγινε και σε αυτή την περίπτωση συγκρίνοντας την αντοχή σε κάμψη των δοκιμίων με μικροκάψουλες, των δοκιμίων αναφοράς και των δοκιμίων χωρίς μικροκάψουλες. Τέλος, με τη βοήθεια της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης έγινε ανάλυση των αρχικών επιφανειών αλλά και των επιφανειών θραύσης τόσο των πολυμερών όσο και των συνθέτων υλικών με μικροκάψουλες, για την παρουσία κενών, για να διαπιστωθεί εάν στην περίπτωση των συνθέτων οι μικροκάψουλες είχαν εγκλωβιστεί από τις ίνες κατά την διάρκεια παρασκευής του υλικού καθώς και για το εάν είχαν σπάσει οι μικροκάψουλες στο υλικό απελευθερώνοντας με αυτόν τον τρόπο τον παράγοντα επούλωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη μικροκαψουλών στα πολυμερή οδήγησε σε μείωση της αντοχής σε κάμψη κατά 78,38%, και του μέτρου ελαστικότητας σε κάμψη κατά 18,79% ενώ για τα σύνθετα υπήρξε πτώση της διαστρωματικής αντοχής σε διάτμηση κατά 25,82% λόγω της προσθήκης μικροκαψουλών στο υλικό. Όσον αφορά την ικανότητα αυτοεπούλωσης αυτή είτε δεν υπήρξε είτε εάν υπήρξε ήταν περιορισμένη και τάξης μεγέθους μικρότερη από την επίδραση της μικροκάψουλας ως ατέλεια μέσα στο υλικό. Οι εικόνες από την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης έδειξαν την παρουσία κενών στα πολυμερή υλικά με μικροκάψουλες. Όσον αφορά τα σύνθετα υλικά οι εικόνες έδειξαν την παρουσία μικροκαψουλών στη μήτρα του υλικού και όχι ανάμεσα στις ίνες. Επίσης, έδειξαν ότι οι μικροκάψουλες είχαν δημιουργήσει συσσωματώματα και δεν ήταν ομοιόμορφα κατανεμημένες μέσα στο υλικό. Τέλος, οι εικόνες από τις επιφάνειες θραύσης αποκάλυψαν περιοχές τόσο στα πολυμερή όσο και στα σύνθετα υλικά, όπου υπήρχαν μικροκάψουλες αλλά και άδειες μικροκάψουλες οι οποίες είχαν πολυμεριστεί επουλώνοντας τμήματα του υλικού.
Abstract (translated): In this work the mechanical behavior and the self-healing ability of materials filled with microcapsule was investigated. The self-healing mechanism of the materials studied worked as follow: As the crack propagates in the material, ruptures the wall of the microcapsules containing the healing agent. Then the healing agent reacts with the catalyst contained in the matrix and the material that is created seals the crack. The materials used in this study were based on the epoxy resin Epon 828. The microcapsules were in the material at a concentration of 18% w / w and the catalysts at a concentration of 5% w / w. Three-point bending experiments for determining the flexural properties, and experiments for determining the interlaminar shear strength (ILSS) were conducted for polymers and composites with microcapsules, respectively. In order to determine the self-healing efficiency the procedure below was followed which was common for both the polymeric and the composite materials: The specimens were subjected to an initial loading. After that they remained for a day for self-healing and then loaded again until failure. Finally with the help of scanning electron microscopy (SEM), images of the initial surface and from the fractured surface of both polymer and composite materials were taken so as to examine the surfaces for the presence of voids ,to determine whether in the case of composite materials the microcapsules were trapped by the fibers during the preparation of the material and if the microcapsules’ walls have been ruptured in order to release the healing agent. The experimental results demonstrated that the addition of microcapsules decreased the flexural strength by 78,38% and the flexural modulus by 18,79% of the polymeric materials. As far as the composite materials is concerned, the interlaminar shear stress was decreased by 25,82%. The self-healing efficiency was very limited for both cases. The images taken from SEM showed that the polymeric materials with self healing ability had voids on their surface. The images from the self-healing composites showed that the microcapsules were successfully dispersed in the matrix which means that during the formulation of the composite the microcapsules were not captured from the fibers. Finally, the images of the fractured surfaces revealed that the healing agent has been successfully released from the microcapsules.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΥΤΟΕΠΟΥΛΩΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ.pdfΚυρίως άρθρο3.49 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.