Celulární polymerní nanokompozity
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
This dissertation thesis deals with the preparation and characterization of polymer nanocomposite foams with a focus on means to control their structure at multiple length scales and application in 3D printing in their fabrication. The aim of this work is to investigate polymer nanocomposite with hierarchical structure – from the nano-, through the micro to macro scale. The structural properties of polymer nanocomposites prepared from glassy polymers by the solvent-casting method were investigated in the first part of the work. It has been shown that the difference in the solubility parameters of the polymer and the solvent plays a crucial role. This finding has been verified for systems containing various nanoparticles, polymers, and solvents. With the knowledge of the general principles controlling the structure of nanocomposites, impact polystyrene filled with nanosilica was investigated in greater detail. These nanocomposites were used for the preparation of nanocomposite foams. The porous structure was achieved using a thermal chemical blowing agent azodicarbonamide. The filaments were extruded and the material was processed by 3D printing into the required shapes and foamed. The result was a hierarchical system with the organization of the structure from nano (organization of nanoparticles), through micro (two-component polymer blend structure and foam structure) to macro scale (foam structure and 3D printed design). The effect of nanoparticles on the structure and the thermal and mechanical properties of polymeric foams were observed. The nanoparticles operate as a nucleating agent in the formation of the foam. Pores are easily formed on their surface so that with the content of nanoparticles in the system smaller pores have been formed, which helped to make the foam fine and homogeneous. The presence of nanoparticles changed the surface energy of the blowing agent grains, thanks to which it decomposed at lower temperatures and foaming was even faster. At the same time, nanoparticles have the potential to reinforce foam walls and thus improve mechanical properties. 3D printing is a popular and widespread technique, due to its simplicity it is in many laboratories and test institutions, therefore the demand for filaments with special properties is growing. The material developed in this dissertation is essentially a finished and characterized product that could contribute to the satisfaction of this claim.
Tato dizertační práce se zabývá přípravou a charakterizací nanokompozitních polymerních pěn se zaměřením na strukturu materiálu a aplikaci v 3D tisku. Cílem práce je studium materiálu s vysoce organizovanou hierarchickou strukturou – od nanoměřítka, přes mikroskopickou strukturu po makroskopická tělesa. V první části práce byly řešeny strukturní vlastnosti nanokompozitů připravených z polymerních skel roztokovou metodou. Byl hledán obecně platný trend, pomocí kterého by bylo možné předpovídat disperzi nanočástic v kompozitu. Ukázalo se, že řídícím faktorem může být závislost na rozdílu parametrů rozpustnosti polymeru a rozpouštědla. Tento poznatek byl ověřen na systémech obsahujících různé nanočástice, polymery a rozpouštědla. Se znalostí principů pro řízení struktury nanokompozitů byly připraveny nanokompozity impaktního polystyrenu plněného nanosilikou. Tyto nanokompozity posloužily jako základ pro přípravu polymerních nakompozitních pěn. Porézní struktury bylo dosaženo pomocí termálního chemického nadouvadla azodikarbonamidu. Z těchto materiálů byly extrudovány filamenty, které byly následně zpracovány pomocí 3D tisku do požadovaných tvarů a vypěněny. Výsledkem byla hierarchická struktura s organizací struktury od nano (organizace nanočástic), přes mikro (struktura dvoukomponentní polymerní směsi a struktura pěny) po makroměřítko (struktura pěny a design 3D tisku). Byl pozorován vliv nanočástic na strukturu a termální a mechanické vlastnosti polymerních pěn. Nanočástice fungují při tvorbě pěny jako nukleační činidlo, na jejich povrchu snadno dochází k tvorbě pórů, takže s obsahem nanočástic v materiálu bylo vytvořeno více menších pórů, což napomohlo k homogenitě pěnové struktury. Přítomnost nanočástic změnila povrchovou energii zrn nadouvadla, díky čemuž docházelo k jeho rozkladu za nižích teplot a pěnění bylo i rychlejší. Nanočástice mají zároveň potenciál vyztužit stěny pěny a zlepšit tak mechanické vlastnosti. 3D tisk je oblíbená a hojně rozšířená technika, díky své jednoduchosti je v mnoha laboratořích a zkušebnách, proto roste poptávka po filamentech se speciálními vlastnostmi. Materiál vyvinutý v této dizertační práci je v podstatě hotovým a charakterizovaným produktem, který by mohl přispět k uspokojení této pohledávky.
Tato dizertační práce se zabývá přípravou a charakterizací nanokompozitních polymerních pěn se zaměřením na strukturu materiálu a aplikaci v 3D tisku. Cílem práce je studium materiálu s vysoce organizovanou hierarchickou strukturou – od nanoměřítka, přes mikroskopickou strukturu po makroskopická tělesa. V první části práce byly řešeny strukturní vlastnosti nanokompozitů připravených z polymerních skel roztokovou metodou. Byl hledán obecně platný trend, pomocí kterého by bylo možné předpovídat disperzi nanočástic v kompozitu. Ukázalo se, že řídícím faktorem může být závislost na rozdílu parametrů rozpustnosti polymeru a rozpouštědla. Tento poznatek byl ověřen na systémech obsahujících různé nanočástice, polymery a rozpouštědla. Se znalostí principů pro řízení struktury nanokompozitů byly připraveny nanokompozity impaktního polystyrenu plněného nanosilikou. Tyto nanokompozity posloužily jako základ pro přípravu polymerních nakompozitních pěn. Porézní struktury bylo dosaženo pomocí termálního chemického nadouvadla azodikarbonamidu. Z těchto materiálů byly extrudovány filamenty, které byly následně zpracovány pomocí 3D tisku do požadovaných tvarů a vypěněny. Výsledkem byla hierarchická struktura s organizací struktury od nano (organizace nanočástic), přes mikro (struktura dvoukomponentní polymerní směsi a struktura pěny) po makroměřítko (struktura pěny a design 3D tisku). Byl pozorován vliv nanočástic na strukturu a termální a mechanické vlastnosti polymerních pěn. Nanočástice fungují při tvorbě pěny jako nukleační činidlo, na jejich povrchu snadno dochází k tvorbě pórů, takže s obsahem nanočástic v materiálu bylo vytvořeno více menších pórů, což napomohlo k homogenitě pěnové struktury. Přítomnost nanočástic změnila povrchovou energii zrn nadouvadla, díky čemuž docházelo k jeho rozkladu za nižích teplot a pěnění bylo i rychlejší. Nanočástice mají zároveň potenciál vyztužit stěny pěny a zlepšit tak mechanické vlastnosti. 3D tisk je oblíbená a hojně rozšířená technika, díky své jednoduchosti je v mnoha laboratořích a zkušebnách, proto roste poptávka po filamentech se speciálními vlastnostmi. Materiál vyvinutý v této dizertační práci je v podstatě hotovým a charakterizovaným produktem, který by mohl přispět k uspokojení této pohledávky.
Description
Keywords
Polymer nanocomposites, foams, nanoparticle organization, cellular composites, hierarchical systems, 3D printing, structure, mechanical properties, HIPS, azodicarbonamide, nanosilica., Polymerní nanokompozity, pěny, organizace nanočástic, celulární kompozity, hierarchické systémy, 3D tisk, struktura, mechanické vlastnosti, HIPS, azodikarboamid, nanosilika.
Citation
ZÁRYBNICKÁ, K. Celulární polymerní nanokompozity [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2022.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé materiály
Comittee
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda) prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda) Prof. Alfred Crosby (člen) doc. Ing. Marián Lehocký, Ph.D. (člen) Ing. Jiří Sadílek, Ph.D. (člen) doc. RNDr. Jiří Tocháček, CSc. (člen)
Date of acceptance
2022-02-14
Defence
Dizertační práce Ing. Zárybnické se zabývá přípravou a charakterizací nanokompozitních polymerních pěn se zaměřením na strukturu materiálu a aplikaci v 3D tisku. Cílem práce je studium materiálu s vysoce organizovanou hierarchickou strukturou – od nanoměřítka, přes mikroskopickou strukturu po makroskopická tělesa. Práce je vysoce originální, aktuální a stanovené cíle byly splněny. Práce je založena na velkém množství unikátních experimentálních dat a snaze o jejich interpretaci s využitím existujících modelů i vlastních hypotéz. Zcela unikátní jsou výsledky zkoumání termodynamických parametrů řídících prostorové uspořádání nanočástic v několika skelných homopolymerech a v heterogenním HIPS, které byly publikovány v prestižním časopise. Výsledky práce jsou velmi důležité pro vývoj nových materiálů, zejména pro 3D tisk. Výsledky dizertace jsou shrnuty v sedmi vědeckých pracích, které již byly publikovány ve významných mezinárodních časopisech. Dále je součástí práce jeden užitný vzor a čtyři konferenční příspěvky. Ing. Zárybnická své výsledky prezentovala v angličtině a na dotazy oponentů a členů komise odpověděla uspokojivě čímž prokázala výborné znalosti zkoumaného oboru.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení