Original title: Efekt submikrometrických rysů na reologii polymerních nanokompozitů
Translated title: Effect of sub-micrometer structural features on rheology of polymer nanocomposites
Authors: Lepcio, Petr ; Chodák,, Ivan (referee) ; doc.Ing.Marián Lehocký, Ph.D. (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Document type: Doctoral theses
Year: 2018
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract: [eng] [cze]
Polymerní nanokompozity (PNCs) mají slibnou budoucnost jako lehké funkční materiály zpracovatelné aditivními výrobními technologiemi. Jejich rychlému rozšíření však brání silná závislost jejich užitných vlastností na prostorovém uspořádání nanočástic (NP). Schopnost řídit disperzi nanočástic je tak klíčovým předpokladem pro jejich uplatnění ve funkčních kompozitech. Tato práce zkoumá přípravu polymerních nanokompozitů v modelové sklotvorné polymerní matrici roztokovou metodou, technikou schopnou vytvářet prostorové uspořádání nanočástic řízené strukturními a kinetickými parametry přípravného procesu. Prezentované výsledky popisují rozdíly mezi změnami rheologického chování roztoku polystyrenu při oscilačním smyku s vysokou amplitudou (LAOS) vyvolanými nanočásticemi. Výsledky vedou k závěru, že vysoce-afinní OP-POSS nanočástice při nízkých koncentracích dobře interagují s PS a tvoří tuhé agregáty, zatímco nízko-afinní OM-POSS nanočástice za těchto podmínek neovlivňují deformační chování polymerních řetězců. Dále byla pozornost zaměřena na vliv použitého rozpouštědla na uspořádání nanočástic v SiO2/PMMA a SiO2/PS nanokompozitech, který je v literatuře prezentován jako parametr řídící prostorové uspořádání nanočástic v pevném stavu. Důraz byl kladen na kvalitativní rozdíly mezi „špatně dispergovanými“ shluky nanočástic, které byly na základě rheologie a strukturální analýzy (TEM, USAXS) identifikovány jako polymerními řetězci vázané nanočásticové klastry a dva typy agregátů, jeden termodynamického a druhý kinetického původu. Jednotlivé druhy agregátů se vyznačují odlišnými kinetikami vzniku a rozdílnými vlastnostmi jak mezi sebou, tak v porovnání s dispergovanými nanočásticemi. Pozorované typy disperze nanočástic byly kvantitativně posouzeny podle svých rheologických vlastností během roztokové přípravy, podle kterých byla vyhodnocena míra adsorpce polymeru na povrch nanočástic a atrakce ve vypuzeném objemu. Výsledky byly porovnány s teorií PRISM. Důležitost uspořádání nanočástic byla demonstrována na porovnání teplot skelných přechodů různých struktur při stejném chemickém složení. Polymer nanocomposites (PNCs) hold a great promise as future lightweight functional materials processable by additive manufacturing technologies. However, their rapid deployment is hindered by their performance depending strongly on the nanoparticle (NP) spatial organization. Therefore, the ability to control the nanoparticle dispersion in the process of PNCs preparation is a crucial prerequisite for utilizing their potential in functional composites. This work investigates solution blending of PNCs in a model glass forming polymer matrix, a bulk processing technique of a tailored NP spatial organization controlled by structural and kinetic variables of the preparation protocol. The presented results describe the differences between nanoparticle induced changes on the rheological behavior of a polystyrene solution under large amplitude oscillation shear (LAOS). High-affinity OP-POSS NPs seem to interact with the PS at low filler loadings and form stiffened aggregates, whereas low-affinity OM-POSS NPs remained rather uninvolved in the polymer deformation at these conditions. Furthermore, an interest was focused on the impact of the blending solvent on the NP spatial arrangement in silica/PMMA and silica/PS nanocomposites, which has already been suggested as the controlling parameter of the solid-state structure. An emphasis was put on the qualitative differences between “poorly dispersed” NP arrays which, by combination of rheological assessment and structural analysis (TEM, USAXS), were identified as chain bound clusters and two types of aggregates, one of thermodynamic and the other of a kinetic origin, which are characterized by substantially distinct formation kinetics and mismatched properties compared to individually dispersed NPs and each other. The currently observed types of NP dispersion were quantitatively linked with their rheological properties during the solution blending step and the amount of polymer adsorption and depletion attraction. The results were compared to the PRISM theory. Finally, the importance of NP spatial organization was demonstrated on the comparison of glass transition temperatures of various structures at constant chemical composition.
Keywords: acidobazická interakce; adsorpce; agregát; atrakce ve vypuzeném objemu; disperze; klastr; nanočástice; oscilační smyk s vysokou amplitudou (LAOS); poly(methyl methakrylát) (PMMA); polyhedrální oligomerní silsesquioxan (POSS); Polymerní nanokompozit; polystyrene (PS); prostorové uspořádání; rentgenový rozptyl v ultra-malých úhlech (USAXS); rheologie; roztokové míchání; silika; struktura; transmisní elektronová mikroskopie (TEM); acid-base interaction; adsorption; aggregate; chain bound cluster; depletion attraction; dispersion; large amplitude oscillatory shear (LAOS); nanoparticle (NP); poly(methyl methacrylate) (PMMA); polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS); Polymer nanocomposite (PNC); polystyrene (PS); rheology; silica; solution blending; spatial organization; structure; transmission electron microscopy (TEM); ultra-small angle X-ray scattering (USAXS)

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/137457

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-606664


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Doctoral theses