|
Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor Departamentul Chimie Anorganica, Fizica
şi Electrochimie |
|
|
|
RAPORT
ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC
|
|
|
MATERIALE
COMPOZITE HIBRIDE CU MATRICI TERMOPLASTICE DOPATE CU FIBRE SI UMPLUTURI NANOMETRICE
DISPERSE PENTRU APLICATII SPECIALE (HybridMat)
Nr.
168/2012
Etapa
III - Demonstrarea functionalitatii si utilitatea modelelor experimentale din
faza laborator pentru realizarea materialelor compozite hibride obtinute pe
baza de polipropilena, poliamida nanoaditivata, polipropilena ranforsata cu
wiskersuri si fibre sticla tratate si a laminatelor obtinute; Proiectare
instalatie pilot
Activităţi
prevăzute şi realizate, conform contractului
A 3.0.1. Definitivarea
procedurii de caracterizare a materialelor compozite hibride obtinute pe baza
de polipropilena si poliamida nanoaditivate respectiv polipropilena cu
whiskersuri si fibre scurte tratate
A 3.0.2. Elaborare
specificatie tehnica initiala a materialelor compozite hibride pe baza de
polipropilena si poliamida nanoaditivate respectiv poliproilena cu whiskersuri
si fibre scurte tratate
A 3.1. Selectie variante optime materiale compozite hibride realizate si
propuneri pentru stabilirea domeniilor de utilizare
A 3.2. Proiectare
si elaborare documentatie de analiza tehnico-economica a tuturor materialelor
compozite realizate
A 3.3. Definitivare tehnologii laborator de realizare a materialelor compozite
hibride pe baza de polipropilena, poliamida nanoaditivata, polipropilena
ranforsata cu whiskersuri si fibre de sticla tratate si a laminatelor obtinute
A 3.4. Proiectare instalatie pilot pentru realizare produse din materialele
compozite nanoaditivate si ranforsate cu wiskersuri si fibre precum si a
laminatelor obtinute
A 3.5. Diseminarea rezultatelor obtinute prin brevetare, publicare de articole,
participare la conferinte de prestigiu, etc.
A 3.6.
Management de proiect si realizarea paginii web.
Compozitele termoplastice armate cu fibre continue (CFRT- continuous fiber reinforced thermoplastic) oferă noi oportunităţi în inginerie. Produsele realizate pe baza acestor materiale pot fi prelucrate pentru a asigura numeroase proprietăţi fizice urmărite în industrie, precum: raport rezistenţă/ greutate ridicat, rigiditate şi rezistenţă la impact ridicate şi excelentă rezistenţă la oboseală. Aceste proprietăti îmbunătăţite permit ca CFRT să poată fi comparabile cu materialele structurale tradiţionale precum aluminiu şi oţel. Progresele cercetărilor ce au vizat materialele pe bază de poliamidă ranforsată au condus la utilizarea acestor materiale în aplicaţii auto precum traversele frontale, suporţii scaunelor, barele de protecţie, tăvilor pentru baterii, angrenaje, protecţiile motoarelor şi distribuitoare de admisie.
În această
fază s-a demonstrat
functionalitatea si utilitatea modelelor experimentate in faza laborator pentru
realizarea materialelor compozite hibride obtinute pe baza de polipropilena,
poliamida nanoaditivata, polipropilena ranforsata cu whiskersuri pe baza de carbura
de siliciu, grafen oxid, fibre de sticla tratate si laminatelor obtinute. In
urma experimentarilor efectuate au rezultat urmatoarele:
- S-a definitivat
procedura de caracterizare a compozitelor hibride obtinute in faza laborator,
pe baza de polipropilena si poliamida nanoaditivate cu montmorilonit, fibre de sticla
tratate si whiskersuri pe baza de carbura de siliciu si a placilor laminate;
- Au fost
realizate laminate hibride prin metoda presării
la temperatura de topire a matricii termoplastice (250°C pentru poliamida,
respectiv 200°C pentru polipropilenă) Matricea laminatelor
hibride a fost realizată fie prin presare
(de către partenerul P1) sau (injecţie
de către partenerul P3) rezultând plăci,
fie prin dispersarea granulelor de polimer într-un reactiv în care acesta este
solubil (obţinând si matrice nanocompozită
pentru probele în care a fost adăugată
si nanopulbere), rezultând o soluţie
cu care s-au impregnat pliurile din ţesătură
de fibră de carbon;
- A fost stabilită
astfel, o tehnică inovativă
de obţinere a
laminatelor hibride având matricea nanoaditivată,
prin dispersarea granulelor de PA6 şi a nanopulberii
de Cloisite30B în solvent (acid formic 85%) si impregnarea tesăturii
din FC cu soluţia obţinută.
Această varianta a fost aleasă
în vederea obţinerii
unei dispersii optime a nanopulberii, tehnologia permiţând
amestecarea prin ultrasonare a nanopulberii, spre deosebire de metoda
extruderii/ injectie ce permite doar amestecarea mecanică,
insuficientă pentru agenţii
nanometrici;
- In urma testelor
mecanice se observă îmbunătăţiri
substanţiale ale valorilor rezistentei si modulului
de elasticitate la tracţiune si flexiune a
laminatelor pe bază de FC, comparativ
cu polimerul de bază (PA6, PP);
- Laminatele
de tip PA6/FC au relevat valori ale rezistenţei
mecanice la tracţiune de 350Mpa (laminatul cu 11 pliuri
FC), 592.68 Mpa (laminatul cu 3 pliuri FC) SI 93.2 MPa (laminatul cu 2 pliuri
FC, având grosime 2.9 mm) si ale modulului Young de 25 GPa (laminatul cu 11
pliuri FC), 58.71 GPa (laminatul cu 3 pliuri FC) si 16 GPa (laminatul cu 2 pluri
FC, având grosime 2.9 mm), fata de o rezistenţa
de 79.2 MPa si modul Young de 3.2 GPa în cazul poliamidei de bază;
- In urma
experimentarilor, a rezultat ca compozitele pe baza de PP/PP-g-AM ranforsata cu
grafen oxid in procent de 0.5, 1 si 3%, prezinta valori ale rezistentei la
rupere superioare fata de amestecul de referinta;
- Compozitele
stratificate pe baza de polipropilena-polipropilena-g-AM/tesatura din fibra de
sticla tratata cu polidiclordimetilsilan/polipropilena-polipropilena-g-AM,
prezinta caracteristici superioare, comparativ cu placile compozite realizate
cu tesatura din fibra tratata cu alte tipuri de organosilani, datorita unei mai
bune compatibilitati la interfata;
- Compozitele
hibride pe baza de polipropilena armata cu 10% fibre de sticla functionalizata
cu diclordimetilsilan si 10% whiskersuri pe baza de carbura de siliciu, prezinta
valori ale proprietatilor cele mai performante din punct de vedere al
prelucrabilitatii si rezistentei la rupere datorita faptului ca sunt
monocristale perfecte;
- S-au elaborat
specificatii tehnice initiale pentru compozitele realizate anterior pe baza de
poliamida nanoaditivata si laminate precum si pentru: “granule din compozit polimeric pe bază de polipropilena armat cu whiskersuri pe baza de
carbura de siliciu si fibre de sticla tratate”si “compozit
stratificat pe bază de
polipropilenă armată cu ţesătură din
fibră de sticlă tratată”;
- S-a selectionat
variantele optime ale materialelor compozite hibride si s-au stabilit domeniile
de utilizate, in conformitate cu standardele de produs;
- S-a proiectat si
elaborat documentatia de analiza tehnico-economica pentru compozitele hibride
obtinute;
- In urma analizei
tehnico-economice s-a concluzionat ca materialele obtinute prezinta un cost
mediu sau putin peste mediu, raportul calitate/pret fiind optim;
- S-au definitivat
tehnologiile de laborator a materialelor compozite hibride realizate pe baza de
polipropilena si poliamida nanoaditivate respectiv armate cu fibre de sticla functionalizate
cu organosilani si/sau whiskersuri pe baza de carbura de siliciu si a laminatelor
obtinute;
- S-a proiectat
instalatia pilot de realizare a produsului prototip din compozitele pe baza de
polipropilena ranforsata cu fibre de sticla si whiskersuri, precum si
echipamentul si matrita necesara realizarii laminatelor pe baza de tesatura din
fibra de carbon si tesatura din fibra de sticla;
- S-a depus la
OSIM cererea de brevet, nr. A/00793, data depozit: 27.10.2014, “compozit
stratificat pe bază de
polipropilenă armată cu ţesătură din
fibră de sticlă tratată”;
- Din punct de
vedere al procesabilitatii, pe baza valorilor indicilor de fluiditate, materialele
obtinute experimentate pot fi prelucrate pe utilajele specifice destinate materialelor
termoplastice si cu consum redus de energie;
- Ca domenii de
utilizare, materialele experimentate, pot fi utilizate in industria constructoare
de masini (bare de protectie sau parasoc, scaune, componente interioare si exterioare)
precum si in alte domenii: industria chimica si bunuri de larg consum.
In totalitatea ei,
lucrarea reprezintă o etapă
inovatoare în realizarea unor compozite structurale
reciclabile cu bază polimerică
termoplastică,
cu aplicaţii în industria aeronautică,
auto, a instalaţiilor eoliene si alte industrii orizontale
(de uz curent).
Procesul tehnologic utilizat pentru
compozitelor hibride pe baza de polimeri termoplastici ranforsate cu
nanopulberi sau fibre este format din următoarele
etape:
Etapa
III, in imagini:
Imaginile FTIR ale tesăturii de sticlă nefunctionalizate/brute
Imagine FTIR caracteristică a PP/FS@PDMS obtinut
prin functionalizarea fibrei de sticla cu diclordimetilsilan
Imagine
FTIR caracteristică PP/FS nefunctionalizate
Micrografii SEM caracteristice probelor PP/FS@AF (AF = PDMS obtinut in
situu pe fibre pornind de la DCDMS)
Imagini SEM caracetristice
PP/FS@Ag Compatibilizare/SiC NW
CONFERINTE:
1. M.Sönmez1, L.Alexandrescu1,
M.Georgescu1, D.Gurau1, M.Nituica1, A. Ficai2, D.Ficai2, “Processing and
morphological and structural characterization of polypropylene / silicon carbide
nanocomposites”, 27th International Symposium on Polymer Analysis and Characterization,
ISPAC 2014 Les Diablerets, Switzerland, June 16-18, 2014.
2. M. SÖNMEZ1, M.Nituica1,
M.Georgescu1, L.Alexandrescu1, D.Gurau1, D.Ficai2, A.Ficai2, I.O.VASILESCU3, “Influence
of coupling agents on the polymeric material / disperse material interface”,
ICAMS 2014 – 5th International Conference on Advanced Materials and Systems,
23-25October 2014, Bucharest, Romania.
3. L. Alexandrescu1, M. Georgescu1,
M. Sonmez1, M. Nituica1, D. Gurau1, Z. Moldovan2, “Polypropilene/polyamide/layered
silicate nanocomposites with functional compatibilizers: characterization by
physico-mechanical tests and ATR-FTIR spectrometry”, 27th International
Symposium on Polymer Analysis and Characterization, ISPAC 2014 Les Diablerets,
Switzerland, June 16-18, 2014.
4. Cristina-Elisabeta Ban,
Adriana Stefan, Ion Dinca, George Pelin, Anton Ficai, Ecaterina Andronescu,
Ovidiu Oprea, “Effect of nanoclay and carbon nanotubes addition in polypropylene
nanocomposites”, International Conference of Aerospace Sciences "AEROSPATIAL,
2014, Bucureşti, România. (Lucrarea a fost prezentată în cadrul sesiunii
de comunicări orale din Sectiune 6- New Materials and Nanomaterials, de către
Drd. Ing. Chim. George Pelin.)
5. Cristina-Elisabeta Ban,
Adriana Stefan, Ion Dinca, George Pelin, Anton Ficai, Ecaterina Andronescu,
Ovidiu Oprea, “ Multi-Walled Carbon Nanotubes Effect in Polypropylene Nanocomposites”,
22nd International Conference on Materials and Technology, Portoroz, Slovenia,
20-23 Octombrie 2014 (Lucrarea a fost prezentată în cadrul sesiunii de comunicări
orale de către Drd. Ing. Chim. Cristina-Elisabeta Ban (Pelin))
BREVET DE INVENTIE:
1. Cerere brevet OSIM,
nr.A/00793, din data de: 27.10.2014, “COMPOZIT STRATIFICAT PE BAZĂ DE
POLIPROPILENĂ ARMATĂ CU ŢESĂTURĂ DIN FIBRĂ DE
STICLĂ TRATATĂ”; Inventatori: SÖNMEZ MARIA, ALEXANDRESCU LAURENŢIA,
GEORGESCU
MIHAI, NITUICA MIHAELA - INCDTP
SUCURSALA ICPI; FICAI DENISA, FICAI ANTON – UPB; AVADANEI LIDIA - S.C.
ICEFS COM SRL
ARTICOLE
1. Cristina-Elisabeta Ban, Adriana Stefan, Ion Dinca, George Pelin,
Anton Ficai, Ecaterina Andronescu, Ovidiu Oprea, Georgeta Voicu “Multi-Walled
Carbon Nanotubes Effect in Polypropylene Nanocomposites”- under review
pentru jurnalul Materials and Technology IF 0.555
2. Cristina-Elisabeta Ban, Adriana Stefan, Ion Dinca, George Pelin,
Anton Ficai, Ecaterina Andronescu, Georgeta Voicu, “MECHANICAL PROPERTIES OF
NANOFILLED POLYPROPYLENE COMPOSITES”- INCAS Bulletin ISSN 2066–8201; Stare:
articol acceptat spre publicare; Data aparitiei: 15.03.2015
3. Cristina-Elisabeta Ban, Adriana Stefan, Ion Dinca, George Pelin,
Anton Ficai, Ecaterina Andronescu, Ovidiu Oprea, “Effect of nanoclay and carbon
nanotubes addition in polypropylene nanocomposites” Aerospatial2014 Electronic
Conference Proceedings, ISSN 2067-8622 si momentan under review pentru
Aerospatial 2014 Printed Conference Proceedings ISSN 2067-8614.
4. Maria SÖNMEZ, Mihai GEORGESCU,
Mihaela VÂLSAN, Denisa FICAI, Georgeta VOICU, Anton FICAI, Laurentia
ALEXANDRESCU; Design and characterization of PP/glass fibres composite
materials; Journal of Applied Polymer Science; under review