Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/7645
Title: Ανάπτυξη νανοσύνθετων πολυμερικής μήτρας/κεραμικού TiO2. Μορφολογικός, θερμικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός
Authors: Τομαρά, Γεωργία
Issue Date: 2014-05-27
Keywords: Νανοσύνθετα
Πολυμερή
Keywords (translated): Nanocomposites
Polymer
Abstract: Ο όρος “σύνθετα υλικά” αναφέρεται σε μείγματα δύο ή και περισσότερων υλικών, τα οποία διαφέρουν στη μορφή ή και στη σύνθεση, συνήθως δεν διαλύονται το ένα στο άλλο και είναι δυνατόν να εντοπισθεί διεπιφάνεια μεταξύ των συστατικών τους. Τα σύνθετα υλικά αναπτύχθηκαν με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων με εξειδικευμένο συνδυασμό ιδιοτήτων και επιτρέπουν την εξοικονόμηση φυσικών πόρων. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από τη μητρική και την ενισχυτική φάση. Πολύ σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά ενός σύνθετου παίζει η διεπιφάνεια, δηλαδή η κοινή επιφάνεια μεταξύ μήτρας και εγκλείσματος, καθώς και η περιοχή στα όρια αυτής της επιφάνειας. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο μορφολογικός, θερμικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας-κεραμικού TiO2. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε μια εμπορικά διαθέσιμη, χαμηλού ιξώδους εποξειδική ρητίνη (Epoxol 2004, Neotex S.A., Athens, Greece). Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους, της οποίας η διηλεκτρική σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές για το TiO2. Ως ενισχυτική φάση (έγκλεισμα) επιλέχθηκε το κεραμικό TiO2. Η μελέτη του TiO2 παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του. Είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος, διηλεκτρικά ανισότροπο υλικό, και μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές δομές: ρουτίλιο, ανατάσιο και βρουκίτης (rutile, anatase και brookite). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε TiO2 με δομή ανατασίου σε μορφή νανοεγκλεισμάτων με μέση διάμετρο μικρότερη από 25 nm. Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά συγκέντρωσης 3, 5, 7, 10 και 12 phr σε TiO2 καθώς επίσης και δείγματα καθαρής ρητίνης τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως δείγματα αναφοράς. Από τον μορφολογικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων που πραγματοποιήθηκε με Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM) προκύπτει ότι έχει επιτευχθεί καλή διασπορά των εγκλεισμάτων στην πολυμερική μήτρα. Επομένως η παρασκευή των δειγμάτων χαρακτηρίζεται επιτυχής. Ο θερμικός χαρακτηρισμός έγινε με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC). Στα θερμοδιαγράμματα που ελήφθησαν φάνηκε μικρή τάση αύξησης της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) στα σύνθετα δείγματα σε σχέση με το δείγματα αναφοράς. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS). Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα έλαβαν χώρα ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων σε εύρος από 0.1Hz ως 1MHz και σε περιοχές θερμοκρασιών από -100οC ως 150οC με βήμα 10οC. Όλη η διάταξη είναι συνδεδεμένη με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ταυτόχρονο έλεγχο και αποθήκευση των δεδομένων. Παρατηρήθηκαν διεργασίες χαλάρωσης οι οποίες αποδίδονται στην πολυμερική μήτρα, οι οποίες εμφανίστηκαν τόσο στα σύνθετα δείγματα όσο και στα δείγματα αναφοράς. Οι διεργασίες αυτές είναι η α-χαλάρωση, που σχετίζεται με την υαλώδη μετάβαση της πολυμερικής μήτρας, η γ-χαλάρωση, που είναι ο πιο γρήγορος μηχανισμός και αποδίδεται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις μικρών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας, και η β-χαλάρωση που προέρχεται από τον επαναπροσανατολισμό πλευρικών ομάδων της πολυμερικής αλυσίδας. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων και στα σύνθετα υψηλής συγκέντρωσης σε TiO2, παρατηρήθηκε η διεργασία IDE (Intermediate Dipolar Effect), η οποία αποδίδεται στην ενισχυτική φάση. Επιπλέον, στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων και υψηλών θερμοκρασιών παρατηρήθηκε και το φαινόμενο της Διεπιφανειακής πόλωσης (IP) Σε όλες τις συγκεντρώσεις η β-χαλάρωση παρουσιάζει εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius, ενώ η εξάρτηση της α- χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). Εξετάστηκε τέλος, η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των σύνθετων δειγμάτων, η οποία φάνηκε να αυξάνεται αυξανομένης της συγκέντρωσης της ενισχυτικής φάσης. Από τη σύγκριση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας σε νανοσύνθετα δείγματα και σε μικροσύνθετα δείγματα με εγκλείσματα TiO2, φάνηκε γενικά ότι τα νανοσύνθετα παρουσιάζουν πολλαπλάσια ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας συγκριτικά με τα μικροσύνθετα ίδιας περιεκτικότητας.
Abstract (translated): The term “composite materials” refers to mixtures of two or more materials, which differ in shape or in composition, usually not dissolving in one another and it is possible to detect an interface between the components. The composite materials were developed with the purpose of creating products with specialized combination of properties allowing the preservation of natural resources. The composites consist of the matrix and the reinforcing phase. The interface, ie the common face between the matrix and the inclusions and the boundaries of this region, has a very important role in the behaviour of a composite. The purpose of this study is the morphological, thermal and electrical characterization of complex systems with polymer matrix and ceramic TiO2 inclusions. The matrix used was a commercially available low viscosity epoxy resin (Epoxol 2004, Neotex S.A., Athens, Greece). This resin is a typical insulating polymeric material of low viscosity, whose dielectric constant and conductivity does not differ significantly from the corresponding values for the TiO2. The ceramic TiO2 was chosen as the reinforcing phase. The study of TiO2 is of great interest because of its optical and electronic properties. It is a wide gap semiconductor, an anisotropic dielectric material and it crystallizes in three different structures: rutile, brookite and anatase. In the present work the TiO2 used was the anatase structure, in the form of nanoinclusions with mean diameter less than 25 nm. Nanocomposites were prepared, in five different concentrations 3, 5, 7, 10 and 12 phr in TiO2. Samples of pure resin were also prepared, which were used as control samples. From the morphological characterization of the samples, which was performed via scanning electron microscopy (Scanning Electron Microscopy, SEM), it can be concluded that a good dispersion of the inclusions in the polymeric matrix was achieved. Hence the sample preparation can be characterized as successful. The thermal characterization was conducted by differential scanning calorimetry (Differential Scanning Calorimetry, DSC). The thermograms obtained showed a tendency to increase the glass transition temperature (Tg) in the composite samples compared to the samples of pure resin. The technique of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) was applied for the electrical characterization of the composites. Isothermal frequency scans were conducted for each of the examined specimens in the frequency range of 0.1Hz to 1MHz and temperature range of –100°C to 150°C with the step of 10°C. The whole measuring system device was computer controlled for simultaneous control and data storage. The relaxation processes observed, which appeared in both the composite samples and the pure epoxy samples, are attributed to the polymeric matrix. These processes are the α-relaxation, which is related to the glass transition of the polymeric matrix, the γ-relaxation, which is the faster mechanism, attributed to limited local movements of small parts of the polymer chain and the β-relaxation derived from reorientation of polar side groups of the polymer chain. In the high frequency region and in the samples with high concentration in TiO2, the process IDE (Intermediate Dipolar Effect) was observed, which is attributed to the reinforcing phase. Moreover, in the low frequencies and high temperatures the phenomenon of Interfacial Polarization (IP) was observed. At all concentrations the β-relaxation exhibits temperature dependence according to the Arrhenius equation, while the temperature dependence of the α-relaxation is described by the Vogel-Fulcher-Tamann (VTF) equation. Finally, the energy storage capacity of the composite samples was examined and seems to increase with increasing concentration of the reinforcing phase. A comparison of the energy storage capacity in nanocomposites and in samples with micro scale inclusions in TiO2, reveals that, in general, the nanocomposites exhibit higher energy storage capacity compared to microcomposite samples with the same concentration.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
master_electro.pdf5.63 MBAdobe PDFView/Open


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