Electrospun polycarbonate/boehmite fibers as support structures for inclusion of boehmite nanoparticles in an epoxy matrix

Autor: Cano Murillo, Natalia
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.14279/depositonce-16248
Popis: The development and improvement of fiber-reinforced polymer composites (FRC) has been the focus of many studies in the recent years, sectors like aerospace, marine, automotive, civil construction among others are constantly looking for technologies that allow the production of lightweight composites that display high performance. The inclusion of inorganic nanofillers, has been widely applied resulting in remarkable improvement of the mechanical properties of FRC. Depending on the application of the composite, certain points of the composite will be submitted to higher mechanical demands, increasing the nanofiller concentration in these specific points might lead to a better mechanical response. However, the addition of these nanoparticles by spraying or by separate infusion would lead to difficulties in the control on the concentration and distribution of the nanoparticles, and in the case of spraying, dangerous nanoparticle aerosols might be created exposing manufactures staff to occupational hazards. In this work, a fleece of electrospun polycarbonate fibers carrying (γAlOOH) boehmite nanoparticles (BNP) was produced and incorporated into an epoxy matrix as reinforcing structure. The electrospun nanocomposite fibers offer the advantage to encapsulate the nanoparticles in a stable structure at room temperature, in this way the fleece can be easily applied as an interleaved structure in the construction of FRC. The main goal of this dissertation is to produce the nanocomposite fibers through electrospinning using different concentrations of BNP, and to assess, by different characterization techniques, the effect after their inclusion in an epoxy matrix. The study is approached at different scales, a model layered system composed of the three phases: polycarbonate, BNP and epoxy, is explored through AFM-FDC to determine the morphology and the nanomechanical response at their interphase, imaging methods as scanning electron microscopy in transmission mode (TSEM) were used to analyze the spatial distribution of the BNP. The thermal and structural characterization of the PC/BNP fibers was studied in depth by Small and wide-angle X-ray Scattering methods (SAXS/WAXS), conventional and fast scanning Calorimetry (DSC/FSC), and temperature modulated (TMFSC). The mechanical response of the nanocomposite fibers embedded in the epoxy matrix is explored at the sub-microscale by AFM-FDC, from which a statistical analysis of the Young’s Modulus distribution was performed and at the macroscale, the reinforcing and increased damping capacity of the epoxy matrix was detected. It was found that the ternary system work in a synergistic way enhancing the overall mechanical performance of the composite by balancing a stiffening effect provided by the hard nanoparticles with a dilution effect caused by the PC. This balance of contributions renders a more ductile matrix. The mechanisms by which the BNP are displaced preferentially towards the PC/Epoxy interphase, includes the ability of the epoxy monomer to partially dissolve the PC, which was evidenced in the model system as well as in the fiber composite sample. Other mechanisms are the diffusion of hardener molecules inside the PC fibers, the hydrolysis caused by bonded water of BNP on PC, and the dynamics of segments of PC chains adsorbed on the surface of BNP and on its aggregates contribute to the migration of the BNP towards the epoxy matrix.
Die Entwicklung und Verbesserung von faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen (FRC) war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Studien. Sektoren wie die Luft- und Raumfahrt, die Schifffahrt, die Automobilindustrie, der Hoch- und Tiefbau und andere suchen konstant nach Technologien, die die Herstellung von leichten Verbundwerkstoffen mit hoher Leistungsfähigkeit ermöglichen. Die Zugabe von anorganischen Nanofüllstoffen ist weit verbreitet und hat zu einer bemerkenswerten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von FRC geführt. Je nach Anwendung des Verbundwerkstoffs werden bestimmte Stellen des Verbundwerkstoffs mechanisch stärker beansprucht, so dass eine Erhöhung der Konzentration des Nanofüllstoffs an diesen spezifischen Stellen zu verbesserten mechanischen Eigenschaften führen kann. Die Zugabe dieser Nanopartikel durch Sprühen oder durch separates Beimengen würde jedoch zu Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Konzentration und Verteilung der Nanopartikel führen. Besonders im Falle des Sprühens könnten gefährliche Nanopartikel-Aerosole entstehen, die das Personal in der Fertigung einem Gesundheitsrisiko aussetzen. In dieser Arbeit wurde ein Vlies aus elektrogesponnenen Polycarbonatfasern mit (γAlOOH) Böhmit-Nanopartikeln (BNP) hergestellt und in eine Epoxidmatrix als Verstärkungsstruktur eingearbeitet. Die elektrogesponnenen Nanokomposit-Fasern bieten den Vorteil, dass sie die Nanopartikel in einer stabilen Struktur bei Raumtemperatur einkapseln, so dass das Vlies leicht zwischen Gelegen platziert und bei der Konstruktion von FRC eingesetzt werden kann. Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Herstellung von Nanokompositfasern durch Elektrospinnen unter Verwendung verschiedener Konzentrationen von BNP und die Bewertung der Auswirkungen nach ihrer Einbindung in eine Epoxidmatrix durch verschiedene Charakterisierungstechniken. Ein geschichtetes Modellsystem, das aus den drei Phasen Polycarbonat, BNP und Epoxid besteht, wurde mit Hilfe von AFM-FDC untersucht, um die Morphologie und die nanomechanische Reaktion in der Zwischenphase zu bestimmen. Bildgebende Verfahren wie die Rasterelektronenmikroskopie im Transmissionsmodus (TSEM) wurden verwendet, um die räumliche Verteilung des BNP zu analysieren. Die thermische und strukturelle Charakterisierung der PC/BNP-Fasern wurde mit Hilfe von Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung (SAXS/WAXS), konventioneller und schneller (DSC/FSC), sowie temperaturmodulierter Scanning-Kalorimetrie (TMFSC) eingehend untersucht. Die mechanische Reaktion der in die Epoxidmatrix eingebetteten Nanokompositfasern wurde im Submikrobereich mittels AFM-FDC untersucht, woraus eine statistische Analyse der E-Modul-Verteilung resultierte, und im Makrobereich wurde die Verstärkung und erhöhte Dämpfungsfähigkeit der Epoxidmatrix festgestellt. Es wurde festgestellt, dass das ternäre System synergetisch wirkt und die mechanische Gesamtleistung des Verbundstoffs verbessert, indem es den Versteifungseffekt durch die harten Nanopartikel mit einer Verdünnungseffekt durch die Anwesenheit des PCs ausgleicht. Dieses Gleichgewicht der Beiträge führt zu einer duktileren Matrix. Zu den Mechanismen, durch die die BNP bevorzugt in die PC/Epoxid-Interphase verdrängt werden, gehört die Fähigkeit des Epoxidmonomers, das PC teilweise aufzulösen, was sowohl im Modellsystem als auch in der Faserverbundprobe nachgewiesen wurde. Weitere Mechanismen sind die Diffusion von Härtermolekülen in die PC-Fasern, die Hydrolyse von BNP auf PC durch gebundenes Wasser und die Dynamik von Segmenten von PC-Ketten, die an der Oberfläche von BNP adsorbiert sind, die zur Migration von BNP in Richtung der Epoxidmatrix beitragen.
Databáze: OpenAIRE
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