Síťování, morfologie a vlastnosti polymerních směsí a kompozitů

Yasin Hamid

Doctoral thesis

Cross-linking, Morphology and properties in polymer blends and composites

Abstract:

Three electrically conductive carbon containing composites were studied: (1) ethylene vinyl acetate (EVA)/carbon fibers (CF), (2) ethylene-butene copolymer (EBC)/electrically conductive carbon black (CB) and (3) EBC/CF. The composites were prepared by mixing on a two-roll mill or in a Brabender. Sheets were prepared by compression molding. The influence of electron beam irradiation at levels 60, 120 and 180 kGy was studied for EVA/CF composites. Gel content study helped in calculation of the parameters in Charlesby-Pinner equation. Parameters G(X) = 3.78 and G(S) = 2.35 mean that both cross-linking and chain scission occur during e-beam irradiation. The ratio of the parameters G(X)/G(S) = 1.61 indicates that cross-linking prevails over the scission for this EVA copolymer. Room temperature (25°C) and high-temperature (150°C) mechanical properties (creep, stress-strain and frequency sweep) were studied by dynamic mechanical analysis (DMA). The influence of electron beam irradiation was best observed at 150°C; there was a systematic decrease in creep, increase in stress at given strain, increase in real part of shear modulus G' and decrease in loss factor (tan delta). The experimentally obtained increase in modulus due to the addition of carbon fibers was discussed with the help of Guth-Gold and Guth-Smallwood models. Shape factor L/D was estimated by direct observation by optical microscopy. The composites were tested for changes in electrical resistance during the stretching by various forces. Gauge factor, defined as the ratio of relative change in electrical resistance to the mechanical strain, was calculated. Several composites showed significant changes in electrical resistance during stretching showing a potential use of these electrically conductive composites as strain sensors that could be used for example as artificial muscles in robotics.

Abstract:

Byly studovány tři elektricky vodivé kompozity obsahující uhlíkové plnivo: (1) ethylenvinylacetát (EVA)/uhlíková vlákna (CF), (2) ethylen-butenový kopolymer (EBC)/elektricky vodivé saze (CB) a (3) EBC/CF. Kompozity byly připraveny mícháním na dvouválci nebo v Brabenderu. Destičky byly připraveny lisováním. U kompozitů EVA/CF byl studován vliv ozáření elektrony při úrovních 60, 120 a 180 kGy. Studium obsahu gelu pomohlo při výpočtu parametrů Charlesby-Pinnerovy rovnice. Parametry G(X) = 3,78 a G(S) = 2,35 znamenají, že během ozařování elektronovými paprsky dochází k síťování i štěpení řetězců. Poměr parametrů G(X)/G(S) = 1,61 znamená, že u tohoto EVA kopolymeru převažuje síťování nad štěpením. Vyvolané změny mechanických vlastnosti při pokojové teplotě (25 °C) a při vysoké teplotě (150 °C) (kríp, napětí-deformace a frekvenční závislost) byly studovány pomocí dynamické mechanické analýzy (DMA). Vliv ozáření proudem elektronů byl nejlépe pozorován při 150 °C; došlo k systematickému poklesu krípu, zvýšení napětí při dané deformaci, zvýšení reálné části modulu pružnosti ve smyku G' a snížení ztrátového faktoru (tan delta). Experimentálně naměřené zvýšení modulu pružnosti v důsledku přídavku uhlíkových vláken bylo diskutováno pomocí Guth-Goldova a Guth-Smallwoodova modelu. Tvarový faktor L/D byl odhadnut přímým pozorováním pomocí světelné mikroskopie. Kompozity byly testovány na změny elektrického odporu během zatěžování různými silami. Byl vypočten měrný faktor, definovaný jako poměr relativní změny elektrického odporu k mechanickému prodloužení. Některé kompozity vykazovaly významné změny elektrického odporu během zatěžování v tahu, což naznačuje možnost budoucího využití těchto elektricky vodivých kompozitů jako senzorů deformace, které by mohly být použity např. jako umělé svaly v robotice.

Keywords

DMA, Electromechanic, Irradiation, Thermal conductivity, Carbonfibre, EVA, EBC

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 3. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 29. 4. 2021
• Supervisor: prof. Ing. Petr Svoboda, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds