Title
Механичка и термичка својства синтетисаних нанокомпозитних материјала на бази халојзита и калцијум-силиката
Creator
Jelić, Aleksandra, 1992-
CONOR:
96840201
Copyright date
2022
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 06.07.2022.
Other responsibilities
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Tehnološko-metalurški fakultet
Alternative title
Mechanical and thermal properties of synthesized nanocomposite materials based on halloysite and calcium-silicates
Publisher
[А. Јелић]
Format
XIII, 105 стр.
description
Tehnološko inženjerstvo - Inženjerstvo materijala / Technological Engineering - Materials Engineering
Abstract (sr)
vi
MEHANIČKA I TERMIČKA SVOJSTVA SINTETISANIH
NANOKOMPOZITNIH MATERIJALA NA BAZI
HALOJZITA I KALCIJUM – SILIKATA
SAŽETAK
U ovoj doktorskoj disertaciji ispitana su dva tipa kompozitnih materijala: ojačanih halojzitnim
nanotubama i kalcijum – silikatima. Kao matrica je korišćena komercijalna smola na bazi bisfenola-A
(Araldite GY 250, Huntsman Advanced Materials, SAD), monofunkcionalnog, alifatičnog, reaktivnog
razblaživača za epoksidne smole Araldite DY-E (Huntsman Advanced Materials, SAD) i
modifikovanog cikloalifatskog poliamina Aradur 2963-1 (Huntsman Advanced Materials, SAD).
Halojzitne nanotube (HNT) su korišćene kao ojačanje epoksidne smole. Halojzitne nanocevi utiču na
mehanička (zatezna čvrstoća, čvrstoća na udar, svojstva savijanja, itd.) i termička svojstva
nanokompozitnih materijala i kristalizaciono ponašanje polukristalnih polimera. Ipak, ukupne
performanse polimernih kompozita ojačanih pomoću HNT zavise od stepena disperzije HNT i
međufazne interakcije između nanotuba i polimerne matrice. Usled prisustva van der Valsovih sila
između nanotuba, dolazi do njihove aglomeracije koja, dalje, vodi do lošijih mehaničkih svojstava
materijala. Iz tog razloga, kako bi bila poboljšana efikasnost HNT, površinska svojstva nanotuba
moraju biti izmenjena. Postoji veliki broj metoda koje su primenjivane u cilju poboljšanja disperzije
nanotuba u matrici i ostvarivanja adekvatne interakcije između matrice i nanotuba, koje dalje vode
poboljšanju konačnih svojstava kompozitnih materijala. Kovalentna funkcionalizacija obezbeđuje niz
mogućnosti i može biti izvedena kroz površinski iniciranu polimerizaciju ili direktnim dodavanjem
polimera na površinu nanotuba. Modifikacija površine halojzitnih nanocevi je izvedena korišćenjem: 3-
Glicidiloksipropiltrimetoksi silana (GLYMO, EVONIK, Nemačka), 3-Aminopropiltrimetoksi silana
(APTES, Sigma-Aldrich, Nemačka) i procesom u dva koraka, APTES modifikovanog HNT koji je
dalje modifikovan pomoću 2,2-bis[4-(glicidiloksi) fenil] (DGEBA, Epoksan, Čačak), kako bi bila
poboljšana disperzija nanočestica i kompatibilnost sa matricom. Utvrđena su mehanička i termička
svojstva novosintetisanih materijala i analizirani dobijeni rezultati u odnosu na svojstva korišćene
epoksidne smole, modifikovani sadržaj HNT i reaktivnost funkcionalnih grupa uvedenih na površinu
halojzita. Ugradnja APTES modifikovanih HNT i dvostepene modifikacije APTES praćene
dodavanjem DGEBA povećala je zateznu čvrstoću nanokompozitnih materijala do 72% i 61% i
maksimalnu deformaciju do 1082% i 1216%, respektivno, u poređenju sa čistom epoksidnom smolom.
Zaključeno je da je modifikacija HNT doprinela poboljšanju disperzije i unakrsnog povezivanja u
matrici epoksidne smole.
Silikatni nanofileri: dikalcijum silikat, magnezijum silikat, trikalcijum silikat i volastonit, sintetisani su
korišćenjem četiri različite metode i ugrađeni u epoksidnu smolu u cilju poboljšanja njenih mehaničkih
vii
svojstava. Karakterizacija novosintetisanih nanofilera je izvedena primenom Furijeove infracrvene
(FTIR) spektroskopije, difrakcije rendgenskih zraka (XRD), skenirajuće elektronske mikroskopije
(SEM) i transmisione elektronske mikroskopije (TEM). Analizirani su novosintetisani kompozitni
materijali ojačani silikatnim nanočesticama primenom ispitivanja na zatezanje i metodom beskontaktne
3D digitalne korelacije slike (DIC) u punom polju. Analiza polja deformacije i pomeranja daje precizno
ponašanje materijala tokom ispitivanja. Rezultati ispitivanja su omogućili pouzdaniju procenu
strukturnog integriteta epoksidnih kompozitnih materijala ojačanih različitim silikatnim nanopunilima.
U cilju dobijanja pouzdanijih informacija o viskoelastičnom ponašanju epoksidne smole i dobijenih
kompozitnih materijala, izvedena je dinamičko – mehanička analiza (DMA). Zatezna čvrstoća
kompozitnih materijala se stalno povećavala nakon dodavanja 1%, 2% i, konačno, 3% filera. U odnosu
na epoksidnu smolu, dodatak 3% dikalcijum silikata, magnezijum silikata, trikalcijum silikata i
volastonita povećao je zateznu čvrstoću za 31,51 %, 29,01 %, 27,49 % i 23,47%, respektivno. Nizak
nivo filera u materijalu izazvao je pojavu različitih koncentratora napona u blizini ili u centru merne
dužine. Odnos filera i epoksidne matrice uticao je na efikasnost dodatnih filera: hidroksi grupe prisutne
u hemijskoj strukturi dikalcijum silikata i magnezijum silikata su poboljšale distribuciju filera i
doprinele jačoj vezi između sa epoksidnom matricom. Prisustvo intramolekularnih interakcija između
filera i polimerne matrice potvrđeno je DMA analizom: povećanje Tg za kompozitne materijale je
uzrokovano imobilizacijom epoksidnih makromolekularnih lanaca blizu površine punila i jakom
intermolekularnom interakcijom između epoksidnih lanaca i svih vrsta filera.
Abstract (en)
Two types of composite materials were studied in this doctoral dissertation: those reinforced with
halloysite nanotubes and those reinforced with calcium silicates. The matrix was composed of a
commercial bisphenol-A resin (Araldite GY 250, Huntsman Advanced Materials, USA), a
monofunctional aliphatic reactive diluent for Araldite DY-E epoxy resins (Huntsman Advanced
Materials, USA), and a modified cycloaliphatic polyamine Aradur 2963-1 (Huntsman Advanced
Materials, USA).
Epoxy resin reinforcements were made of halloysite nanotubes (HNT). Mechanical (tensile strength,
impact strength, bending characteristics, etc.) and thermal properties of nanocomposite materials, as
well as the crystallization behavior of semi-crystalline polymers, are all affected by halloysite
nanotubes. The degree of HNT dispersion and the interfacial contact between the nanotubes and the
polymer matrix, however, determine the ultimate performance of HNT-reinforced polymer composites.
The presence of van der Waals interactions between nanotubes generates agglomeration, which results
in the material's mechanical characteristics deteriorating. As a result, the surface qualities of nanotubes
must be adjusted in order to improve HNT efficiency. A number of different approaches have been
used to increase nanotube dispersion in the matrix and produce enough direct interaction between the
matrix and nanotubes, resulting in improved composite material characteristics. Covalent
functionalization opens up a world of possibilities and can be accomplished through surface-initiated
polymerization or direct polymer addition to nanotube surfaces. 3-Glycidyloxypropyltrimethoxy silane
(GLYMO, EVONIK, Germany), 3-Aminopropyltrimethoxy silane (APTES, Sigma-Aldrich, Germany),
and a two-step procedure: APTES modified HNT employing additional 2,2 -bis [4- (glycidyloxy)
phenyl] (DGEBA, Epoksan, Čačak) were used to increase nanoparticle dispersion and matrix
compatibility. The newly synthesized materials' mechanical and thermal properties were examined, and
the results were compared to the properties of the epoxy resin utilized, the changed HNT content, and
the reactivity of the functional groups added on the halloysite surface. When compared to pure epoxy
resin, the incorporation of APTES modified HNT and two-stage APTES modification followed by the
addition of DGEBA improved the tensile strength and maximum deformation of nanocomposite
materials by 72 percent and 61 percent, respectively. The alteration of HNT resulted in improved
dispersion and cross-linking in the epoxy resin matrix, according to the findings.
Dicalcium silicate, magnesium silicate, tricalcium silicate, and wollastonite nanofillers were
synthesized using four distinct processes and incorporated into epoxy resin to improve its mechanical
ix
properties. Fourier infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Scanning electron
microscopy (SEM), and Transmission electron microscopy (TEM) were used to characterize newly
produced nanofillers. Tensile testing and the non-contact 3D Digital Image Correlation (DIC) approach
were applied in the full field with newly manufactured composite materials reinforced with silicate
nanofillers. Material behavior during testing can be predicted using deformation and displacement field
analysis. The results allowed for a more accurate assessment of the structural integrity of epoxy
composite materials supplemented with various silicate nanofillers based on the test results. Dynamic
mechanical analysis (DMA) was used to acquire more reliable information on the viscoelastic behavior
of epoxy resin and the resulting composite materials. Following the addition of 1%, 2%, and finally 3%
fillers, the tensile strength of composite materials grew steadily. The addition of 3% dicalcium silicate,
magnesium silicate, tricalcium silicate, and wollastonite increased tensile strength by 31.51 percent,
29.01 percent, 27.49 percent, and 23.47 percent, respectively, as compared to epoxy resin. Due to the
lack of fillers in the material, numerous stress concentrators appeared near or in the middle of the gauge
length. The effect of additional fillers was determined by the ratio of filler to epoxy matrix: hydroxy
groups in the chemical structure of dicalcium silicate and magnesium silicate increased filler dispersion
and contributed to a stronger binding between epoxy matrix and filler. DMA analysis confirmed the
presence of intramolecular interactions between the filler and the polymer matrix: immobilization of
epoxy macromolecular chains near the filler surface and strong intermolecular interaction between
epoxy chains and all filler types caused the increase in Tg for composite materials.
Authors Key words
nanokompozitni materijali ojačani halojzitnim nanotubama, kalcijum silikatni fileri,
zatezna svojstva, 3D DIC, DMA
Authors Key words
nanocomposite materials reinforced with halloysite nanotubes, calcium silicate fillers,
tensile properties, 3D DIC, DMA
Classification
66.017:549.623.9(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
vi
MEHANIČKA I TERMIČKA SVOJSTVA SINTETISANIH
NANOKOMPOZITNIH MATERIJALA NA BAZI
HALOJZITA I KALCIJUM – SILIKATA
SAŽETAK
U ovoj doktorskoj disertaciji ispitana su dva tipa kompozitnih materijala: ojačanih halojzitnim
nanotubama i kalcijum – silikatima. Kao matrica je korišćena komercijalna smola na bazi bisfenola-A
(Araldite GY 250, Huntsman Advanced Materials, SAD), monofunkcionalnog, alifatičnog, reaktivnog
razblaživača za epoksidne smole Araldite DY-E (Huntsman Advanced Materials, SAD) i
modifikovanog cikloalifatskog poliamina Aradur 2963-1 (Huntsman Advanced Materials, SAD).
Halojzitne nanotube (HNT) su korišćene kao ojačanje epoksidne smole. Halojzitne nanocevi utiču na
mehanička (zatezna čvrstoća, čvrstoća na udar, svojstva savijanja, itd.) i termička svojstva
nanokompozitnih materijala i kristalizaciono ponašanje polukristalnih polimera. Ipak, ukupne
performanse polimernih kompozita ojačanih pomoću HNT zavise od stepena disperzije HNT i
međufazne interakcije između nanotuba i polimerne matrice. Usled prisustva van der Valsovih sila
između nanotuba, dolazi do njihove aglomeracije koja, dalje, vodi do lošijih mehaničkih svojstava
materijala. Iz tog razloga, kako bi bila poboljšana efikasnost HNT, površinska svojstva nanotuba
moraju biti izmenjena. Postoji veliki broj metoda koje su primenjivane u cilju poboljšanja disperzije
nanotuba u matrici i ostvarivanja adekvatne interakcije između matrice i nanotuba, koje dalje vode
poboljšanju konačnih svojstava kompozitnih materijala. Kovalentna funkcionalizacija obezbeđuje niz
mogućnosti i može biti izvedena kroz površinski iniciranu polimerizaciju ili direktnim dodavanjem
polimera na površinu nanotuba. Modifikacija površine halojzitnih nanocevi je izvedena korišćenjem: 3-
Glicidiloksipropiltrimetoksi silana (GLYMO, EVONIK, Nemačka), 3-Aminopropiltrimetoksi silana
(APTES, Sigma-Aldrich, Nemačka) i procesom u dva koraka, APTES modifikovanog HNT koji je
dalje modifikovan pomoću 2,2-bis[4-(glicidiloksi) fenil] (DGEBA, Epoksan, Čačak), kako bi bila
poboljšana disperzija nanočestica i kompatibilnost sa matricom. Utvrđena su mehanička i termička
svojstva novosintetisanih materijala i analizirani dobijeni rezultati u odnosu na svojstva korišćene
epoksidne smole, modifikovani sadržaj HNT i reaktivnost funkcionalnih grupa uvedenih na površinu
halojzita. Ugradnja APTES modifikovanih HNT i dvostepene modifikacije APTES praćene
dodavanjem DGEBA povećala je zateznu čvrstoću nanokompozitnih materijala do 72% i 61% i
maksimalnu deformaciju do 1082% i 1216%, respektivno, u poređenju sa čistom epoksidnom smolom.
Zaključeno je da je modifikacija HNT doprinela poboljšanju disperzije i unakrsnog povezivanja u
matrici epoksidne smole.
Silikatni nanofileri: dikalcijum silikat, magnezijum silikat, trikalcijum silikat i volastonit, sintetisani su
korišćenjem četiri različite metode i ugrađeni u epoksidnu smolu u cilju poboljšanja njenih mehaničkih
vii
svojstava. Karakterizacija novosintetisanih nanofilera je izvedena primenom Furijeove infracrvene
(FTIR) spektroskopije, difrakcije rendgenskih zraka (XRD), skenirajuće elektronske mikroskopije
(SEM) i transmisione elektronske mikroskopije (TEM). Analizirani su novosintetisani kompozitni
materijali ojačani silikatnim nanočesticama primenom ispitivanja na zatezanje i metodom beskontaktne
3D digitalne korelacije slike (DIC) u punom polju. Analiza polja deformacije i pomeranja daje precizno
ponašanje materijala tokom ispitivanja. Rezultati ispitivanja su omogućili pouzdaniju procenu
strukturnog integriteta epoksidnih kompozitnih materijala ojačanih različitim silikatnim nanopunilima.
U cilju dobijanja pouzdanijih informacija o viskoelastičnom ponašanju epoksidne smole i dobijenih
kompozitnih materijala, izvedena je dinamičko – mehanička analiza (DMA). Zatezna čvrstoća
kompozitnih materijala se stalno povećavala nakon dodavanja 1%, 2% i, konačno, 3% filera. U odnosu
na epoksidnu smolu, dodatak 3% dikalcijum silikata, magnezijum silikata, trikalcijum silikata i
volastonita povećao je zateznu čvrstoću za 31,51 %, 29,01 %, 27,49 % i 23,47%, respektivno. Nizak
nivo filera u materijalu izazvao je pojavu različitih koncentratora napona u blizini ili u centru merne
dužine. Odnos filera i epoksidne matrice uticao je na efikasnost dodatnih filera: hidroksi grupe prisutne
u hemijskoj strukturi dikalcijum silikata i magnezijum silikata su poboljšale distribuciju filera i
doprinele jačoj vezi između sa epoksidnom matricom. Prisustvo intramolekularnih interakcija između
filera i polimerne matrice potvrđeno je DMA analizom: povećanje Tg za kompozitne materijale je
uzrokovano imobilizacijom epoksidnih makromolekularnih lanaca blizu površine punila i jakom
intermolekularnom interakcijom između epoksidnih lanaca i svih vrsta filera.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.