Termomechanické chování polymerních nanokompozitů s disperzí nanočástic kontrolovanou pomocí přípravného protokolu
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Tato dizertační práce je zaměřená na základní výzkum procesů samouspořádávání nanočástic v polymerních kapalinách a na vlastnosti připravených polymerních nanokompozitů s řízenou disperzí nanočástic. Navzdory současnému pokroku v porozumění polymerních nanokompozitech, stále chybí mnohé fundamentální znalosti relaxačních a mechanických vlastností polymerních nanostruktur, které by mohly poskytnout klíčové informace pro návrh hierarchických funkčních kompozitů zpracovatelných aditivními výrobními technikami. Hlavní důraz byl kladen na výzkum vlivu postupu přípravy nanokompozitu na finální stav disperze nanočástic, přípravu řízených nanostruktur – individuálně dispergované nanočástice, řetězci vázáné klastry a kontaktní agregáty - a určení jejich relaxačních a mechanických vlastností. Navíc byly nanočástice využity jako „sondy“ v polymerní matrici, které ovlivňují segmentální uspořádání a relaxační dynamiku polymerních řetězců a mohou poskytnout o těchto dějích zásadní informace. Tento přístup může pomoci nalezení vztahů mezi segmentální dynamikou na nano škále a mechanickými vlastnostmi polymerních skel na makro škále, což je náročný fundamentální problém s extrémní technologickou důležitostí. Neroubované keramické nanočástice a polymerní skla byly použity, aby se minimalizoval vliv silných interakcí mezi nanočásticemi a řetězci. Podrobný výzkum byl vykonán na modelovém systému PMMA/SiO2 a následně rozšířen na systémy s jinými matricemi (PC a PS) a jinými nanočásticemi (ZnO2 and Fe2O3) za účelem zobecnění obdržených výsledků. Byla určena závislost relaxačních a mechanických vlastností (teplota skelného přechodu, reptační čas, modul kaučukovitého plata, počet zapletenin, napětí na mezi kluzu, pokles napětí po mezi kluzu, elastický modul, modul deformačního zpevnění a odezvy při toku za studeny) na nanostruktuře, objemovém zlomku a složení. Získané výsledky byly interpretovány za použití současných modelů. Stanovené relaxační a mechanické vlastnosti byly propojeny, aby poskytli informace o molekulárních deformačních procesech řídících mechanickou odezvu makroskopických kompozitních těles.
This thesis is focused on a fundamental investigation of nanoparticle self-assembly in polymer liquids and on properties of the prepared polymer nanocomposites with controlled nanoparticle dispersion. Despite recent progress in understanding polymer nanocomposites, there are still unfilled gaps in the fundamental knowledge of relaxation phenomena and mechanical properties of various nanostructures that would provide key information for designing hierarchical or multidomain nanocomposites processable by additive manufacturing technologies. The emphasis was put on the investigation of the preparation protocol influence on the final dispersion state, preparation of various nanostructures – individually dispersed NPs, chain bound clusters, and contact aggregates at a constant composition, and determination of their relaxation and mechanical properties. Moreover, nanoparticles were utilized as “probes” in polymer matrix that affect the segmental ordering and the relaxation dynamics of polymer chains. This approach can help to derive the relationship between the nano scale segmental dynamics and macro scale mechanical properties of polymer glasses. It is a challenging fundamental scientific problem with an extreme technological importance. Non-grafted ceramic nanoparticles and polymer glasses were used to avoid the focus to deflect from the study of the nanoparticle–polymer interaction influence towards the influence of the graft–polymer interaction or the altered crystalline structure. A thorough investigation was performed for the PMMA/SiO2 model system and subsequently broadened to systems with different matrices (PC and PS) and nanoparticles (ZnO2 and Fe2O3) in order to generalize the obtained results. Nanostructure, volume fraction, and composition dependences of relaxation – glass transition temperature, reptation time, plateau modulus, number of entanglements, and mechanical properties – yield stress, yield drop, elastic modulus, strain hardening modulus, and creep response were determined. Achieved results were interpreted by means of the recent models. The determined relaxational and mechanical properties were connected to provide information about the molecular processes responsible for the mechanical response of the polymer nanocomposites.
This thesis is focused on a fundamental investigation of nanoparticle self-assembly in polymer liquids and on properties of the prepared polymer nanocomposites with controlled nanoparticle dispersion. Despite recent progress in understanding polymer nanocomposites, there are still unfilled gaps in the fundamental knowledge of relaxation phenomena and mechanical properties of various nanostructures that would provide key information for designing hierarchical or multidomain nanocomposites processable by additive manufacturing technologies. The emphasis was put on the investigation of the preparation protocol influence on the final dispersion state, preparation of various nanostructures – individually dispersed NPs, chain bound clusters, and contact aggregates at a constant composition, and determination of their relaxation and mechanical properties. Moreover, nanoparticles were utilized as “probes” in polymer matrix that affect the segmental ordering and the relaxation dynamics of polymer chains. This approach can help to derive the relationship between the nano scale segmental dynamics and macro scale mechanical properties of polymer glasses. It is a challenging fundamental scientific problem with an extreme technological importance. Non-grafted ceramic nanoparticles and polymer glasses were used to avoid the focus to deflect from the study of the nanoparticle–polymer interaction influence towards the influence of the graft–polymer interaction or the altered crystalline structure. A thorough investigation was performed for the PMMA/SiO2 model system and subsequently broadened to systems with different matrices (PC and PS) and nanoparticles (ZnO2 and Fe2O3) in order to generalize the obtained results. Nanostructure, volume fraction, and composition dependences of relaxation – glass transition temperature, reptation time, plateau modulus, number of entanglements, and mechanical properties – yield stress, yield drop, elastic modulus, strain hardening modulus, and creep response were determined. Achieved results were interpreted by means of the recent models. The determined relaxational and mechanical properties were connected to provide information about the molecular processes responsible for the mechanical response of the polymer nanocomposites.
Description
Citation
ONDREÁŠ, F. Termomechanické chování polymerních nanokompozitů s disperzí nanočástic kontrolovanou pomocí přípravného protokolu [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé materiály
Comittee
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (předseda)
doc. RNDr. Jiří Tocháček, CSc. (člen)
prof. Ing. Ivan Chodák, DrSc. (člen)
Mgr. Jan Žídek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Viera Khúnová, Ph.D. (člen)
RNDr. Libor Matějka, DSc. (člen)
Date of acceptance
2018-12-11
Defence
Disertační práce Ing. Ondreáše se věnuje termomechanickému chování polymerních nanokompozitů s disperzí nanočástic kontrolovanou pomocí přípravného protokolu. Tematika organicko-anorganických polymerních kompozitů je vysoce aktuální a důležitá z hlediska základního a aplikovaného výzkumu. Výsledky práce představují poměrně velký objem experimentální práce a jsou velice dobře zpracovány. Práce dosahuje velmi vysoké odborné úrovne. Ing.Ondreáš stanovil základní vztahy mezi uspořádáním nanočástic v polymerní matrici a relaxačním a termomechanickým chováním polymerních nanokompozitů. Ing. Ondreáš je autorem 16 publikací, většinou jako první autor a některé z prací byly publikovány ve velmi přestižních časopisech. V průběhu obhajoby student zodpověděl na všechny dotazy komise úspěšně a uspokojivě a prokázal schopnost samostatné vědecké práce.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení