Studium krystalizace, elektrické vodivosti a mechanických vlastností vybraných inženýrských polymerů a směsí

Ahmed Mostafa Alazab Aly Nasr

Doctoral thesis

Study the crystallization, electroconductivity and mechanical properties in selected engineering polymers and blends

Abstract:

Tato disertační práce se zabývala mnohostrannými interakcemi mezi dynamikou krystalizace, elektrickou vodivostí a mechanickými vlastnostmi vybraných technických polymerů a jejich kompozitů a směsí. Hlavním cílem bylo odhalit složité vztahy, jimiž se tyto základní vlastnosti řídí, a jejich důsledky pro aplikace pokročilých materiálů. Nejprve byl pečlivě zkoumán vliv tepelné degradace na krystalizaci poly(butylentereftalátu) (PBT). Výzkum odhalil podstatný posun v teplotě krystalizace, což svědčí o hluboké modifikaci. K tomuto posunu došlo v různých fázích, které zahrnovaly počáteční nárůst, prudký pokles a následné změny vyvolané degradací. Byly sledovány odpovídající trendy v krystalinitě a kinetice krystalizace, přičemž zvláštní pozornost byla věnována vlivu na rozdílnou tloušťku lamel. Tato zjištění zdůraznila složitou povahu krystalizačního chování PBT při tepelné degradaci a přispěla k širšímu pochopení degradace polymerů a jejích důsledků pro krystalizační procesy. Výzkum dále pronikl do složité oblasti kinetiky krystalizace poly(butylentereftalátu), zejména v závislosti na různých teplotách tavení. Empirické výsledky prokázaly klíčovou korelaci mezi teplotou tavení a výslednou křivkou tepelného toku a odhalily jemnou souhru mezi krystalinitou a profilem tepelného toku. K objasnění kinetiky krystalizace byly vhodně použity Ozawův a Avramiho model, které potvrdily roli teploty tavení v mechanismech nukleace a růstu krystalů. Tato zjištění jsou příslibem pro optimalizaci parametrů zpracování a zlepšení vlastností materiálu v různých aplikacích. Kromě toho byla zkoumána složitá souhra mezi teplotou tavení, dobou trvání a kinetikou neizotermické krystalizace v polyamidu 6 (PA6). S využitím pokročilých analytických technik studie odhalila poznatky o nukleačních centrech, teplotních posunech a kinetice krystalizace. Použité modely účinně osvětlují složitý vztah mezi teplotou tavení a krystalizačními procesy a prohlubují naše porozumění zpracování polymerních materiálů. Nakonec práce zkoumala integraci uhlíkových vláken do elastické polymerní matrice, čímž vznikly kompozity EOC/CF. Studie pečlivě analyzovala výsledné mechanické vlastnosti a morfologii spolu s důsledky pro elektrickou vodivost. Studie prokázala výrazné zvýšení modulu pružnosti v tahu a napětí pomocí různých analytických metodik při zachování elasticity. Kromě toho se zkoumaly elektrické vlastnosti a odhalil se kritický práh perkolace v kompozitech. Tyto výsledky naznačují potenciál pokročilých kompozitů, zejména pro aplikace v elektronice. Tato disertační práce komplexně zkoumá složité vztahy mezi krystalizací, elektrickou vodivostí a mechanickými vlastnostmi v rámci technických polymerů a směsí. Zjištění mají dalekosáhlé důsledky pro konstrukci a aplikace materiálů a otevírají cestu k inovativnímu pokroku v různých oblastech.

Abstract:

This doctoral thesis investigated the multifaceted interplay between crystallization dynamics, electroconductivity, and mechanical attributes within selected engineering polymers and their blends. The overarching objective was to unravel the intricate relationships governing these fundamental properties and their implications for advanced material applications. Firstly, the influence of thermal degradation on the crystallization of Poly(butylene terephthalate) (PBT) was meticulously examined. The research revealed a substantial shift in the crystallization temperature, indicative of profound modification. This shift occurred through distinct phases, involving initial rise, steep decrease, and subsequent degradation-induced changes. The corresponding trends in crystallinity and crystallization kinetics were observed, with particular attention to the influence of differing lamellar thicknesses. These findings underscored the intricate nature of PBT's crystallization behavior under thermal degradation, contributing to a broader understanding of polymer degradation and its implications for crystallization processes. Furthermore, the research delved into the intricate terrain of Poly(butylene terephthalate) crystallization kinetics, particularly in response to various fusion temperatures. The empirical results demonstrated a pivotal correlation between fusion temperature and the resultant heat flow curve, revealing a nuanced interplay between crystallinity and heat flow profile. The Ozawa and Avrami models were adeptly employed to elucidate crystallization kinetics, affirming the role of fusion temperature in nucleation and crystal growth mechanisms. These findings hold promise for optimizing processing parameters and enhancing material attributes across diverse applications. Moreover, the intricate interplay between fusion temperature, duration, and nonisothermal crystallization kinetics in polyamide 6 (PA6) was explored. Employing advanced analytical techniques, the study unveiled insights into nucleation centers, crystallization temperature shifts, and kinetics. The models utilized effectively shed light on the complex relationship between fusion temperature and crystallization processes, furthering our comprehension of polymer material processing. Lastly, the work explored the integration of carbon fibers within an elastic polymer matrix, yielding EOC/CF composites. The study meticulously analyzed the resulting mechanical attributes and morphology alongside implications for electroconductivity. The study demonstrated a marked enhancement in tensile modulus and stress through various analytical methodologies while maintaining elasticity. Moreover, the investigation delved into electrical properties, revealing a critical percolation threshold in the composites. These results suggest the potential for advanced composites, particularly for applications in electronics engineering. This doctoral thesis comprehensively explores the intricate relationships among crystallization, electroconductivity, and mechanical attributes within engineering polymers and blends. The findings have far-reaching implications for material design and applications, paving the way for innovative advancements in diverse fields.

Keywords

Elektrická vodivost, krystalizace, tepelná degradace, optická mikroskopie, DSC, SAXS.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 9. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 8. 12. 2023

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

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