Πολυμερή Πολυμερή Νανοσύνθετα Νανοσύνθετα ΥλικάΥλικά, , οο δρόμος τουδρόμος του

μέλλοντοςμέλλοντοςΒαρελάς ΒασίλειοςΒαρελάς Βασίλειος1010οο εξάμηνο εξάμηνοΣχολή Ε.Μ.Φ.ΕΣχολή Ε.Μ.Φ.ΕΣεμινάριο ΦυσικήςΣεμινάριο ΦυσικήςΕπιβλέπων ΚαθηγητήςΕπιβλέπων Καθηγητής: : κ.Κοντούκ.Κοντού

Τι είναι τα πολυμερή?Τι είναι τα πολυμερή?

Εισαγωγή στα πολυμερή νανοσύνθεταΕισαγωγή στα πολυμερή νανοσύνθετα

Χρήση Χρήση filler filler σε πολυμερή σε πολυμερή συστήματασυστήματα

Ιδιότητες πολυμερών Ιδιότητες πολυμερών νανοσύνθετων εξαρτώνται από νανοσύνθετων εξαρτώνται από την μορφολογία του υλικούτην μορφολογία του υλικού

Αρχές 90 η Αρχές 90 η Toyota Toyota χρησιμοποίησε χρησιμοποίησε Nylon6 Nylon6 νανοσύνθετα ,βελτίωση θερμικών νανοσύνθετα ,βελτίωση θερμικών και μηχανικών ιδιοτήτωνκαι μηχανικών ιδιοτήτων

Ομοσπονδιακή χρηματοδότηση Ομοσπονδιακή χρηματοδότηση νανοτεχνολογίας (νανοτεχνολογίας (464 464 εκατομμύρια τοεκατομμύρια το 2001 2001 καικαι 982 982 εκατομμύρια το εκατομμύρια το 20052005 ενώ το ενώ το 2006 ο προυπολογισμός ήταν 2006 ο προυπολογισμός ήταν 1.052 εκ.)1.052 εκ.)

Μεγάλη επιφάνεια τα υλικά Μεγάλη επιφάνεια τα υλικά στη νανοκλίμακαστη νανοκλίμακα

Ταξινόμηση υλικών από την Ταξινόμηση υλικών από την γεωμετρία τους(γεωμετρία τους(nanoparticles, nanoparticles, layered, layered, ινώδη)ινώδη)

Δυο είδη δομών Δυο είδη δομών (παρεμβολική, (παρεμβολική, αποφλοιωμένη)αποφλοιωμένη)

Η έρευνα για νανοστοιχεία Η έρευνα για νανοστοιχεία είναι ευρεία και καλύπτει είναι ευρεία και καλύπτει ένα ευρύ φάσμα περιοχώνένα ευρύ φάσμα περιοχών

Συμβατικές Σύνθετες Τεχνικές ΚατασκευήςΣυμβατικές Σύνθετες Τεχνικές Κατασκευής

Οι κυριότερες μέθοδοι επεξεργασίας των πολυμερών Οι κυριότερες μέθοδοι επεξεργασίας των πολυμερών νανοσύνθετων είναι νανοσύνθετων είναι ::

1)1) Wet lay-upWet lay-up2)2) PultrusionPultrusion3)3) RTM (Resin Transfer Molding)RTM (Resin Transfer Molding)4)4) VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)5)5) Autoclave processingAutoclave processing6)6) Filament windingFilament winding7)7) Fiber placementFiber placement

ΤεχνικέςΤεχνικές ΧαρακτηρισμούΧαρακτηρισμού ΝανοσύνθετωνΝανοσύνθετων

WAXDWAXD (wide(wide--angleangle X- X-rayray diffraction)diffraction) SEM (scanning electron microscopy)SEM (scanning electron microscopy) TEM (transmission electron microscopy)TEM (transmission electron microscopy) SAXS (small-angle X-ray scattering)SAXS (small-angle X-ray scattering)

NanoplateletNanoplatelet-ενισχυμένα-ενισχυμένα συστήματασυστήματα

Silicate clay minerals ( hectorite, saponite, montmorillonite Silicate clay minerals ( hectorite, saponite, montmorillonite (MMT) )(MMT) )

GraphiteGraphite ( (NFG) (NFG) (παρόμοια γεωμετρία ,ορισμένα μόρια ή ιόντα παρόμοια γεωμετρία ,ορισμένα μόρια ή ιόντα παρεμβάλλονται ανάμεσα στα στρώματα του γραφίτη με παρεμβάλλονται ανάμεσα στα στρώματα του γραφίτη με αποτέλεσμα το διάστημα των επιφανειών να μεγαλώνει, με αποτέλεσμα το διάστημα των επιφανειών να μεγαλώνει, με θέρμανσηθέρμανση της ένωσης παρεμβολής δημιουργείται της ένωσης παρεμβολής δημιουργείται expandedexpanded γραφίτης (γραφίτης (EG)EG) και παρατηρείται αύξηση του όγκου) και παρατηρείται αύξηση του όγκου)

Micrograph (TEM) of the morphologyMicrograph (TEM) of the morphologyof montmorillonite (clay)of montmorillonite (clay)

ΔομήΔομή καικαι ιδιότητες (ιδιότητες (OrganicallyOrganically Modified ClayModified Clay PlateletsPlatelets))

PLS PLS νανοσύνθετανανοσύνθετα Ενδιάμεσο στρώμα ή Ενδιάμεσο στρώμα ή

gallerygallery Ανταλλαγή ιόντων με Ανταλλαγή ιόντων με

κατιόντακατιόντα Πρέπει η υδρόφιλη Πρέπει η υδρόφιλη

επιφάνεια να γίνει επιφάνεια να γίνει organophilicorganophilic για να έχω για να έχω νανοσύνθετο υλικόνανοσύνθετο υλικό

Ένας δύσκολος στόχος των ερευνητών είναι ο χωρισμός των Ένας δύσκολος στόχος των ερευνητών είναι ο χωρισμός των tactoids tactoids έτσι ώστε να έχουμε ένα πραγματικό νανοσύνθετο έτσι ώστε να έχουμε ένα πραγματικό νανοσύνθετο

Nanoclay – Nanoclay – ενισχυμένα σύνθεταενισχυμένα σύνθετα

Κανονικός παρεμβολικός πολυμερισμόςΚανονικός παρεμβολικός πολυμερισμός: : πλεονέκτημα είναι το πλεονέκτημα είναι το φαινόμενο tethering που επιτρέπει στην φαινόμενο tethering που επιτρέπει στην nanoclay nanoclay οργανικη οργανικη χημική ουσία να συνδεθεί με χημική ουσία να συνδεθεί με Nylon6 Nylon6 πολυμερείς αλυσίδες πολυμερείς αλυσίδες (εφαρμογές(εφαρμογές:: θερμοπλαστικά , θερμοπλαστικά , Nylon-MMTNylon-MMT νανοσύνθετα) νανοσύνθετα)

NanoclayNanoclay-ενισχυμένα σύνθετα-ενισχυμένα σύνθετα

Αποφλοίωση-προσρόφησηΑποφλοίωση-προσρόφηση (κατασκευή (κατασκευή clay clay νανοσύνθετων, νανοσύνθετων, Toyota-Toyota-παραγωγή παραγωγή PI PI νανοσύνθετων)νανοσύνθετων)

Melt intercalation (Melt intercalation (θερμοπλαστικά νανοσύνθετα)θερμοπλαστικά νανοσύνθετα)

Αποφλοίωση νανοσύνθετωνΑποφλοίωση νανοσύνθετων

Υψηλή ομοιογένεια φάσηςΥψηλή ομοιογένεια φάσης Για υψηλό βαθμό αποφλοίωσης λαμβάνουμε υπόψην Για υψηλό βαθμό αποφλοίωσης λαμβάνουμε υπόψην

παράγοντες όπως το ιξώδες, μήκος αλυσίδας, δομή αργιλίουπαράγοντες όπως το ιξώδες, μήκος αλυσίδας, δομή αργιλίου Ερευνητικές εργασίες από Ερευνητικές εργασίες από Park, Jiankun, Tolle Park, Jiankun, Tolle και και Anderson, Anderson,

Kormann, PinnavaiaKormann, Pinnavaia Για θερμοπλαστικά πολυμερή νανοσύνθετα έρευνες έγιναν Για θερμοπλαστικά πολυμερή νανοσύνθετα έρευνες έγιναν

από από Ahn Ahn Την αποφλοίωση των νανοσύνθετων γραφίτη μελέτησαν οι Την αποφλοίωση των νανοσύνθετων γραφίτη μελέτησαν οι

Shioyama ,FoukousimaShioyama ,Foukousima

Ιδιότητες και ΕφαρμογέςΙδιότητες και Εφαρμογές

Toyota, Toyota, εργαστήριο ερευνών εργαστήριο ερευνών Αμερικάνικου στρατού, Αμερικάνικου στρατού, Koo Koo καικαι Pilato Pilato

Hussain (Hussain (χρησιμοποίησε χρησιμοποίησε RTM), RTM), FieldingFielding

ΕφαρμογέςΕφαρμογές:: Chevrolet, General Chevrolet, General Motors, Honda, Mitsubishi, Motors, Honda, Mitsubishi, ερευνητές της ερευνητές της NASANASA, , HoneywellHoneywell

NanoplateletNanoplatelet- γραφίτη νανοσύνθετα- γραφίτη νανοσύνθετα

Με χρήση γραφίτη το πολυμερές γίνεται από μονωτής, Με χρήση γραφίτη το πολυμερές γίνεται από μονωτής, ημιαγωγόςημιαγωγός

Μελέτες από Μελέτες από Yasmin, FoukousimaYasmin, Foukousima

NanotubeNanotube-ενισχυμένα συστήματα άνθρακα-ενισχυμένα συστήματα άνθρακα(Δομή και ιδιότητες (Δομή και ιδιότητες CNTs)CNTs)

2 2 δομέςδομές

3 διαφορετικές μορφολογίες3 διαφορετικές μορφολογίες

Σύνθεση Σύνθεση CNTsCNTs

CVD (chemical vapor deposition)CVD (chemical vapor deposition) Direct-arc dischargeDirect-arc discharge laser ablationlaser ablation

Επεξεργασία Επεξεργασία CNTs: CNTs: Διασπορά και Διασπορά και ευθυγράμμισηευθυγράμμιση

Η διασπορά των Η διασπορά των SWNTs SWNTs καικαι MWNTs MWNTs σε μια πολυμερή μήτρα σε μια πολυμερή μήτρα είναι από τις μεγαλύτερες προκλήσεις μέχρι σήμεραείναι από τις μεγαλύτερες προκλήσεις μέχρι σήμερα

Τα Τα SWNTsSWNTs θεωρούνται ως οι μελλοντικές ενισχύσεις για τα θεωρούνται ως οι μελλοντικές ενισχύσεις για τα πολυμερή νανοσύνθετα της επόμενης γενιάς.πολυμερή νανοσύνθετα της επόμενης γενιάς.

Ιδιότητες και ΕφαρμογέςΙδιότητες και Εφαρμογές

Μελέτη πάνω στην ενσωμάτωση Μελέτη πάνω στην ενσωμάτωση CNTs CNTs στα άμορφα εύθραστα στα άμορφα εύθραστα υλικά (υλικά (PMMA) PMMA) και τα ημικρυσταλλικά πολυμερήκαι τα ημικρυσταλλικά πολυμερή (PP) (PP)

WAXD WAXD έδειξε δομικές κρυσταλλικές αλλαγέςέδειξε δομικές κρυσταλλικές αλλαγές TEMTEM και και SEM SEM εικόνες έδειξαν καλή διασκόρπηση και εικόνες έδειξαν καλή διασκόρπηση και

προσανατολισμό των προσανατολισμό των CNTsCNTs Εφαρμογές από τους Εφαρμογές από τους Ren Ren και και O’Donell,Sprong (Boeing, O’Donell,Sprong (Boeing,

Airbus Airbus με με carboncarbon nanotubenanotube reinforcedreinforced polymer (CNRP))polymer (CNRP))

Nanofiber-Nanofiber-ενισχυμένα συστήματαενισχυμένα συστήματα (CNF) (CNF)

Είναι μια μορφή ινών άνθρακα που καλύπτουν το κενό μεταξύ Είναι μια μορφή ινών άνθρακα που καλύπτουν το κενό μεταξύ των ιδιοτήτων των συμβατικών ινών και των των ιδιοτήτων των συμβατικών ινών και των CNTsCNTs

Δομή σαν Δομή σαν MWNTs MWNTs ( περικομμένοι κώνοι κοίλοι στο κέντρο)( περικομμένοι κώνοι κοίλοι στο κέντρο) Catalytic CVDCatalytic CVD

Επεξεργασία, Ιδιότητες και ΕφαρμογέςΕπεξεργασία, Ιδιότητες και Εφαρμογές

Πειράματα από Πειράματα από Tandon, Tandon, Glasgow, Finegal,Glasgow, Finegal, KooKoo

Άλλα νανοσύνθετα συστήματα (ανόργανα Άλλα νανοσύνθετα συστήματα (ανόργανα πολυμερή νανοσύνθετα)πολυμερή νανοσύνθετα)

Η προετοιμασία για τα ανόργανα Η προετοιμασία για τα ανόργανα νανοσύνθετα γίνεται με έναν νανοσύνθετα γίνεται με έναν ισχυρό ομοιοπολικό χημικό ισχυρό ομοιοπολικό χημικό δεσμόδεσμό

Μέθοδοι επεξεργασίας Μέθοδοι επεξεργασίας ::κανονικός κανονικός πολυμερισμόςπολυμερισμός

Έχουν παρουσιάσει βελτιωμένες Έχουν παρουσιάσει βελτιωμένες ιδιότητες ύστερα από μελέτες που ιδιότητες ύστερα από μελέτες που έχουν γίνει από έχουν γίνει από Jiang, Chen, Ma, Jiang, Chen, Ma, ZhangZhang

Τρέχουσες προκλήσεις στην επεξεργασία και Τρέχουσες προκλήσεις στην επεξεργασία και στην κατασκευή των πολυμερών νανοσύνθετωνστην κατασκευή των πολυμερών νανοσύνθετων

Πολλές προκλήσειςΠολλές προκλήσεις Σε γενικές γραμμές υπάρχουν ελλείψεις σε μεθόδους Σε γενικές γραμμές υπάρχουν ελλείψεις σε μεθόδους

χαρακτηρισμού, και στην υποδομήχαρακτηρισμού, και στην υποδομή Προώθηση νανοτεχνολογίας χρειάζεται εκπαίδευση Προώθηση νανοτεχνολογίας χρειάζεται εκπαίδευση

επιστημόνων, μηχανικών και ακαδημαικώνεπιστημόνων, μηχανικών και ακαδημαικών Δύο μεγάλα άλυτα προβλήματα μέχρι τώραΔύο μεγάλα άλυτα προβλήματα μέχρι τώρα

Υγεία και περιβαλλοντικές επιδράσειςΥγεία και περιβαλλοντικές επιδράσεις

Το Το National Institute for Occupational Safety and HealthNational Institute for Occupational Safety and Health ((NIOSH) NIOSH) υπολογίζει ότι το 42% του αμερικανικού εργατικού υπολογίζει ότι το 42% του αμερικανικού εργατικού δυναμικού διατρέχει κίνδυνο δερμικής έκθεσης σε επικίνδυνα δυναμικού διατρέχει κίνδυνο δερμικής έκθεσης σε επικίνδυνα υλικάυλικά

Ο Ο Shvedova Shvedova έδειξε ότι η έκθεση κυττάρων σε έδειξε ότι η έκθεση κυττάρων σε CNTCNT επιταχύνει επιταχύνει την οξειδωτική τάση και μειώνει την συνολική αντιοξειδωτική την οξειδωτική τάση και μειώνει την συνολική αντιοξειδωτική δράση καθώς και την βιταμίνη Εδράση καθώς και την βιταμίνη Ε

Μελλοντική ΠροοπτικήΜελλοντική Προοπτική

Κρίσιμα ζητήματα παραμένουνΚρίσιμα ζητήματα παραμένουν Βιοδιασπάσιμα νανοσύνθετα Βιοδιασπάσιμα νανοσύνθετα

είναι υποσχόμενα μελλοντικά είναι υποσχόμενα μελλοντικά υλικάυλικά

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

Review article: Polymer-matrixReview article: Polymer-matrix Nanocomposites, Processing,Nanocomposites, Processing, Manufacturing, and Application: AnManufacturing, and Application: An OverviewOverview (FARZANA (FARZANA HUSSAIN, MASAMI OKAMOTO, RUSSELL E. GORGAHUSSAIN, MASAMI OKAMOTO, RUSSELL E. GORGA

Advances in Polymer-Filler Composites: Macro to NanoAdvances in Polymer-Filler Composites: Macro to Nano ((Sudip Ray and Allan J. EastealSudip Ray and Allan J. Easteal))

Polymer-Silicate Nanocomposites: Model Systems for Polymer-Silicate Nanocomposites: Model Systems for Confined Polymers and Polymer Brushes (E. P. Giannelis R. Confined Polymers and Polymer Brushes (E. P. Giannelis R. Krishnamoorti E. Manias)Krishnamoorti E. Manias)

Polymer Nanocomposites:Polymer Nanocomposites: A Small Part of the StoryA Small Part of the Story ( (L.S. L.S. Schadler, L.C. Brinson, and W.G. SawyerSchadler, L.C. Brinson, and W.G. Sawyer))