|
|
Effects of structural and processing parameters on th eproperties of polymer nanocomposites
Zárybnická, Klára ; Žídek, Jan (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
The work deals mainly with preparation protocol of nanocomposites. The task of this work is to study structural and procedural parameteres that control the dispersion of nanoparticles in polymer solution to be able to prepare desired spatial organization of nanoparticles. The work resolves the effect of various components such as polymer matrices, nanoparticles and solvent, in which matrices and nanoparticles are blended. Used components control final dispersion state of nanoparticles and it influences also properties of investigated materials such as glass transition temperature, stiffness and rheological properties.
|
|
|
Biomimetic polymer/graphene layered nanocomposites
Dostalík, Petr ; Ondreáš, František (referee) ; Zbončák, Marek (advisor)
This batchelot thesis deals with preparation of biomimetic polymer/graphene layered nanocomposites. In order to prepare nanocomposites, it was first necessary to prepare a suitable graphene material. The Tour-Marcan method was chosen for its preparation, in which the effect of oxidation time on the structure of the resulting graphene/graphite oxide was investigated. From the result of structural analysis was evaluated, that after 4 hours of oxidation structure of graphite was intercalated, oxygen groups were formed (mainly expoxy groups) and inter-layer spacing increased to form graphite oxide (GO). Extension of oxidation time did not lead to major changes in struture of GO. Nanocomposites were prepareted by solution-casting method. The polar polymer – polyvinyl alcohol (PVAl) was used as a matrix with assumption of strong interaction between GO a PVAl. In order to promote GO intercalation, an ultrasonic dispersant was used in the process of nanocomposite preparation, the effect of which was manifested by an increase in the inter-layer GO distance in nanocomposites. It has been observed that the inter-layer spacing of GO and PVA1 is affected by the concentration of the individual components in the nanocomposites, suggesting a possible modification of the PVA1 crystalline structure. Structural analysis revealed that GO layers in composite were oriented in one direction.
|
|
|
Thermomechanical response of polymer nanocomposites with preparation protocol controlled nanoparticle dispersion
Ondreáš, František ; Chodák,, Ivan (referee) ; Matějka,, Libor (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Tato dizertační práce je zaměřená na základní výzkum procesů samouspořádávání nanočástic v polymerních kapalinách a na vlastnosti připravených polymerních nanokompozitů s řízenou disperzí nanočástic. Navzdory současnému pokroku v porozumění polymerních nanokompozitech, stále chybí mnohé fundamentální znalosti relaxačních a mechanických vlastností polymerních nanostruktur, které by mohly poskytnout klíčové informace pro návrh hierarchických funkčních kompozitů zpracovatelných aditivními výrobními technikami. Hlavní důraz byl kladen na výzkum vlivu postupu přípravy nanokompozitu na finální stav disperze nanočástic, přípravu řízených nanostruktur – individuálně dispergované nanočástice, řetězci vázáné klastry a kontaktní agregáty - a určení jejich relaxačních a mechanických vlastností. Navíc byly nanočástice využity jako „sondy“ v polymerní matrici, které ovlivňují segmentální uspořádání a relaxační dynamiku polymerních řetězců a mohou poskytnout o těchto dějích zásadní informace. Tento přístup může pomoci nalezení vztahů mezi segmentální dynamikou na nano škále a mechanickými vlastnostmi polymerních skel na makro škále, což je náročný fundamentální problém s extrémní technologickou důležitostí. Neroubované keramické nanočástice a polymerní skla byly použity, aby se minimalizoval vliv silných interakcí mezi nanočásticemi a řetězci. Podrobný výzkum byl vykonán na modelovém systému PMMA/SiO2 a následně rozšířen na systémy s jinými matricemi (PC a PS) a jinými nanočásticemi (ZnO2 and Fe2O3) za účelem zobecnění obdržených výsledků. Byla určena závislost relaxačních a mechanických vlastností (teplota skelného přechodu, reptační čas, modul kaučukovitého plata, počet zapletenin, napětí na mezi kluzu, pokles napětí po mezi kluzu, elastický modul, modul deformačního zpevnění a odezvy při toku za studeny) na nanostruktuře, objemovém zlomku a složení. Získané výsledky byly interpretovány za použití současných modelů. Stanovené relaxační a mechanické vlastnosti byly propojeny, aby poskytli informace o molekulárních deformačních procesech řídících mechanickou odezvu makroskopických kompozitních těles.
|
|
|
Preparation and characterization of self assembled polymer nanocomposites
Lepcio, Petr ; Žídek, Jan (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Polymerní nanokompozity na bázi polyhedrálních oligomerních silsesquioxanů (POSS) představují slibnou oblast výzkumu, která potenciálně může využít samouspořádávní při navrhování nových materiálů. Tato diplomová práce popisuje postup přípravy oktafenyl-POSS/PS, oktafenyl-POSS/PMMA a oktamethyl-POSS/PS systémů a charakterizaci jejich termomechanických vlastností v pevné fázi a reologických vlastností v roztoku. Získané výsledky jsou diskutovány s přihlédnutím k teoriím zabývajících se stavem disperze nanočástic.
|
|
|
Cellular polymer nanocomposites
Zárybnická, Klára ; Crosby, Alfred (referee) ; Lehocký,, Marián (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
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.
|
|
|
Magnetically assembled nanoparticle structures and their effect on mechanical response of polymer nanocomposites
Zbončák, Marek ; Khúnová,, Viera (referee) ; Crosby, Alfred (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Magneticky řízené samo-uspořádávání v polymerních nanokompozitech je studováno v této dizertační práci. Strukturování polymerních nanokompozitů pomocí relativně slabých magnetických polí (B=0-50 mT) bylo prokázáno jako praktická metoda pro kontrolu jejích nano a mikrostruktury. Vliv intenzity magnetického pole, množství nanočástic, viskozity a času uspořádávání na výslednou strukturu byl studován v různých systémech jako fotopolymer, polyuretan nebo koloidně dispergované nanočástice v acetonu s malým množstvím rozpuštěného polymeru. Samo-uspořádané struktury – bez aplikace vnějšího magnetického pole vykazují vícekrokovou agregaci nanočástic do uskupení s komplexním tvarem. Magnetické interakce byly označené jako odpovědné za agregaci nanočástic v samo-uspořádaných systémech pomocí výpočtů energii mezi-částicových interakcí. S rostoucím magnetickým polem, magnetické nanočástice jsou rychle uspořádané do jednorozměrných částicových řetězů s vysokým aspektním poměrem a homogenní orientaci v polymerní matrici. S prodluženým časem uspořádaní, tyto struktury postupně rostou z malých submikrometrových struktur do velkých mikroskopických super struktur. Táto metoda vykazuje velký potenciál pro kontrolovanou přípravu široké škály struktur v polymerních nanokompozitech vhodných pro technologické aplikace a také pro fundamentální studie. Magneticky uspořádané polymerní nanokompozity vykazují značnou směrovou anisotropii tuhosti kompozitu nad jeho skelným přechodem přičemž, pod skelným přechodem systému není pozorován žádný efekt. Podélně orientované struktury vykazují větší příspěvek k tuhosti kompozitů. Efektivnost vyztužení vykazuje teplotně závislý průběh a maximum je pozorováno přibližně 60 °C nad skelným přechodem. Struktura magneticky uspořádaného polymerního nanokompozitu byla popsána vícero-úrovňovým hierarchickým modelem materiálu. Mikromechanika byla využitá k popisu směrově závislého vyztužení polymerních nanokompozitů a k popisu teplotně závislé tuhosti hybridních struktur složených z nanočástic a polymeru. Schopnost nést napětí, deformovat se a nenulová tuhost hybridních struktur je odpovědná za vyztužení polymerních nanokompozitů. Přítomnost polymerních přemostění mezi nanočásticemi, které přenášejí napěti skrze magnetické struktury je označená jako nezbytná pro mechanickou odezvu polymerních nanokompozitů a pro tuhost hybridních struktur.
|
|
|
Cellular polymer nanocomposites
Zárybnická, Klára ; Crosby, Alfred (referee) ; Lehocký,, Marián (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
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.
|
|
|
Biomimetic polymer/graphene layered nanocomposites
Dostalík, Petr ; Ondreáš, František (referee) ; Zbončák, Marek (advisor)
This batchelot thesis deals with preparation of biomimetic polymer/graphene layered nanocomposites. In order to prepare nanocomposites, it was first necessary to prepare a suitable graphene material. The Tour-Marcan method was chosen for its preparation, in which the effect of oxidation time on the structure of the resulting graphene/graphite oxide was investigated. From the result of structural analysis was evaluated, that after 4 hours of oxidation structure of graphite was intercalated, oxygen groups were formed (mainly expoxy groups) and inter-layer spacing increased to form graphite oxide (GO). Extension of oxidation time did not lead to major changes in struture of GO. Nanocomposites were prepareted by solution-casting method. The polar polymer – polyvinyl alcohol (PVAl) was used as a matrix with assumption of strong interaction between GO a PVAl. In order to promote GO intercalation, an ultrasonic dispersant was used in the process of nanocomposite preparation, the effect of which was manifested by an increase in the inter-layer GO distance in nanocomposites. It has been observed that the inter-layer spacing of GO and PVA1 is affected by the concentration of the individual components in the nanocomposites, suggesting a possible modification of the PVA1 crystalline structure. Structural analysis revealed that GO layers in composite were oriented in one direction.
|
|
|
Thermomechanical response of polymer nanocomposites with preparation protocol controlled nanoparticle dispersion
Ondreáš, František ; Chodák,, Ivan (referee) ; Matějka,, Libor (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Tato dizertační práce je zaměřená na základní výzkum procesů samouspořádávání nanočástic v polymerních kapalinách a na vlastnosti připravených polymerních nanokompozitů s řízenou disperzí nanočástic. Navzdory současnému pokroku v porozumění polymerních nanokompozitech, stále chybí mnohé fundamentální znalosti relaxačních a mechanických vlastností polymerních nanostruktur, které by mohly poskytnout klíčové informace pro návrh hierarchických funkčních kompozitů zpracovatelných aditivními výrobními technikami. Hlavní důraz byl kladen na výzkum vlivu postupu přípravy nanokompozitu na finální stav disperze nanočástic, přípravu řízených nanostruktur – individuálně dispergované nanočástice, řetězci vázáné klastry a kontaktní agregáty - a určení jejich relaxačních a mechanických vlastností. Navíc byly nanočástice využity jako „sondy“ v polymerní matrici, které ovlivňují segmentální uspořádání a relaxační dynamiku polymerních řetězců a mohou poskytnout o těchto dějích zásadní informace. Tento přístup může pomoci nalezení vztahů mezi segmentální dynamikou na nano škále a mechanickými vlastnostmi polymerních skel na makro škále, což je náročný fundamentální problém s extrémní technologickou důležitostí. Neroubované keramické nanočástice a polymerní skla byly použity, aby se minimalizoval vliv silných interakcí mezi nanočásticemi a řetězci. Podrobný výzkum byl vykonán na modelovém systému PMMA/SiO2 a následně rozšířen na systémy s jinými matricemi (PC a PS) a jinými nanočásticemi (ZnO2 and Fe2O3) za účelem zobecnění obdržených výsledků. Byla určena závislost relaxačních a mechanických vlastností (teplota skelného přechodu, reptační čas, modul kaučukovitého plata, počet zapletenin, napětí na mezi kluzu, pokles napětí po mezi kluzu, elastický modul, modul deformačního zpevnění a odezvy při toku za studeny) na nanostruktuře, objemovém zlomku a složení. Získané výsledky byly interpretovány za použití současných modelů. Stanovené relaxační a mechanické vlastnosti byly propojeny, aby poskytli informace o molekulárních deformačních procesech řídících mechanickou odezvu makroskopických kompozitních těles.
|
|
|
Magnetically assembled nanoparticle structures and their effect on mechanical response of polymer nanocomposites
Zbončák, Marek ; Khúnová,, Viera (referee) ; Crosby, Alfred (referee) ; Jančář, Josef (advisor)
Magneticky řízené samo-uspořádávání v polymerních nanokompozitech je studováno v této dizertační práci. Strukturování polymerních nanokompozitů pomocí relativně slabých magnetických polí (B=0-50 mT) bylo prokázáno jako praktická metoda pro kontrolu jejích nano a mikrostruktury. Vliv intenzity magnetického pole, množství nanočástic, viskozity a času uspořádávání na výslednou strukturu byl studován v různých systémech jako fotopolymer, polyuretan nebo koloidně dispergované nanočástice v acetonu s malým množstvím rozpuštěného polymeru. Samo-uspořádané struktury – bez aplikace vnějšího magnetického pole vykazují vícekrokovou agregaci nanočástic do uskupení s komplexním tvarem. Magnetické interakce byly označené jako odpovědné za agregaci nanočástic v samo-uspořádaných systémech pomocí výpočtů energii mezi-částicových interakcí. S rostoucím magnetickým polem, magnetické nanočástice jsou rychle uspořádané do jednorozměrných částicových řetězů s vysokým aspektním poměrem a homogenní orientaci v polymerní matrici. S prodluženým časem uspořádaní, tyto struktury postupně rostou z malých submikrometrových struktur do velkých mikroskopických super struktur. Táto metoda vykazuje velký potenciál pro kontrolovanou přípravu široké škály struktur v polymerních nanokompozitech vhodných pro technologické aplikace a také pro fundamentální studie. Magneticky uspořádané polymerní nanokompozity vykazují značnou směrovou anisotropii tuhosti kompozitu nad jeho skelným přechodem přičemž, pod skelným přechodem systému není pozorován žádný efekt. Podélně orientované struktury vykazují větší příspěvek k tuhosti kompozitů. Efektivnost vyztužení vykazuje teplotně závislý průběh a maximum je pozorováno přibližně 60 °C nad skelným přechodem. Struktura magneticky uspořádaného polymerního nanokompozitu byla popsána vícero-úrovňovým hierarchickým modelem materiálu. Mikromechanika byla využitá k popisu směrově závislého vyztužení polymerních nanokompozitů a k popisu teplotně závislé tuhosti hybridních struktur složených z nanočástic a polymeru. Schopnost nést napětí, deformovat se a nenulová tuhost hybridních struktur je odpovědná za vyztužení polymerních nanokompozitů. Přítomnost polymerních přemostění mezi nanočásticemi, které přenášejí napěti skrze magnetické struktury je označená jako nezbytná pro mechanickou odezvu polymerních nanokompozitů a pro tuhost hybridních struktur.
|
guest ::
