Využití nanovlákenných materiálů v organicko-minerálních pryskyřicích pro zlepšení mechanických vlastností

Romana KLUPSOVÁ

Master's thesis

The Use of Nanofibrous Materials in Organo-Mineral Resins to Improve Mechanical Properties

Abstract:

Tato diplomová práce zkoumala vliv nanovláken na mechanické vlastnosti organicko-minerální pryskyřice, konkrétně anorganických SiO2 nanovláken a polymerních nanovláken polyamidu 6 (PA6). První fáze zahrnovala dispergaci nanovláken v jedné ze složek pryskyřice pomocí mechanických metod. K dispergaci bylo použito vysokorychlostní míchání a ultrasonikace. Přítomnost nanovláken v kompozitu byla ověřována pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM). Mechanické vlastnosti pryskyřic byly testovány pomocí mechanických zkoušek - zkouškou v tlaku, v tahu a v ohybu. Dosažené výsledky byly vyhodnocovány vůči referenčním vzorkům bez nanovláken. U některých vzorků s anorganickými nanovlákny byl pozorován vliv nanovláken na pevnost v tlaku, který se projevil nárůstem pevnosti o 7 až 11 % vůči vzorku standardu. U zkoušky tahem bylo zaznamenáno výrazné zvýšení pevnosti v tahu a modulu pružnosti v tahu u všech vzorků s nanovlákny, přičemž kompozity s přídavkem SiO2 nanovláken vykazovaly zvýšení o 30 až 130 % oproti vzorku bez nanovláken a u PA6 nanovláken až o 100 %. Až na výjimky měla anorganická nanovlákna příznivý vliv i na pevnost v ohybu, která se vůči referenční hodnotě zvýšila o 15 až 53 %. PA6 nanovlákna způsobila křehnutí materiálu, který se projevil u zkoušek tlakem a ohybem. U těchto vzorků byl zaznamenán významný pokles pevnosti v tlaku i v ohybu a modulu pružnosti v ohybu. Problematika nanokompozitů je spojena s nedostatkem znalostí o účincích nanokompozitů na lidské zdraví a životní prostředí. Z toho důvodu byly modifikované pryskyřice pozorovány z hlediska uvolňování nanomateriálu z jejich struktury. K vyřešení této problematiky byly připraveny vodné výluhy pryskyřic, které byly po vysušení podrobeny mikroskopické analýze. Výsledky nepotvrdily, že by se nanovlákna z nanokompozitu uvolňovala. Hlavním zjištěním práce je, že jak anorganická, tak organická nanovlákna mají významný vliv na mechanické vlastnosti organicko-minerální pryskyřice v tahu a v ohybu. Při zkoušce tlakem byla účinná pouze anorganická nanovlákna, ačkoli rozdíly oproti referenčnímu vzorku nebyly tak výrazné jako u ostatních zkoušek.

Abstract:

This thesis examined the effect of nanofibers on the mechanical properties of organo-mineral resins, specifically inorganic SiO2 nanofibers and polymeric nanofibers of polyamide 6 (PA6). The first stage involved dispersing the nanofibers in one of the resin components using mechanical methods, High-speed mixing and ultrasonication were used for dispersion. The presence of nanofibers in the composite was monitored by scanning electron microscopy (SEM). The mechanical properties of the resins were tested by mechanical tests - compression, tensile and flexural tests. The results obtained were evaluated against reference samples without nanofibers. For some samples with inorganic nanofibers, the effect of nanofibers on the compressive strength was observed, which was manifested by an increase in strength of 7 to 11 % relative to the standard sample. For the tensile test, a significant increase in tensile strength and tensile modulus was observed for all samples with nanofibers, with composites with the addition of SiO2 nanofibers showing an increase of 30 to 130 % compared to the sample without nanofibers and 100 % for PA6 nanofibers. With some exceptions, the inorganic nanofibers also had a beneficial effect on the flexural strength, which increased by 15 to 53 % relative to the reference value. The PA6 nanofibres caused embrittlement of the material, which was evident in the compression and flexural tests. A significant decrease in compressive and flexural strength and flexural modulus was observed for these samples. The issue of nanocomposites is linked to the lack of knowledge about the effects of nanocomposites on human health and the environment. Hence, modified resins have been observed in terms of the release of nanomaterial from their structure. To address this issue, aqueous leachates of the resins were prepared and subjected to microscopic analysis after drying. The results did not confirm that the nanofibers were released from the nanocomposite. The main finding of this work is that both inorganic and organic nanofibers have a significant effect on the mechanical properties of the organic-mineral resin in tensile and flexural properties. Only the inorganic nanofibers were effective in the compression test, although the differences from the reference sample were not as pronounced as in the other tests.

Keywords

organicko-minerální pryskyřice, nanovlákna, kompozitní materiály, nanokompozity, mechanické zkoušky, skenovací elektronová mikroskopie (SEM)

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Petr Ryšánek, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Master programme / field:
Analytical Environmental Chemistry and Toxicology / Analytical Environmental Chemistry and Toxicology