Streszczenie w języku angielskim i polskim

“Polymer hybrid nanocomposites containing carbon nanoparticles. In situ synthesis and
physical properties”
PhD Thesis
Sandra Paszkiewicz
Abstract
The main objective of this PhD thesis was to attempt the use of the enormous potential
of hybrid carbon conductive nanoparticles and their extraordinary mechanical and thermal
properties to obtain polymer nanomaterials, based on condensing polyesters (PET, PTT) and
thermoplastic elastomers (PTT-PTMO) by in situ polymerization. The influence of the
addition of carbon nanotubes, graphenes, and mixtures of both, on the mechanical, electrical
and processing properties was observed. In addition, the effect of different varieties of
graphene on barrier properties of thermoplastic polyesters has been examined. To obtain
polymer hybrid nanocomposites, two kinds of single walled carbon nanotubes, and six
different types of graphenes, varying in flake size, but also in the number of platelets were
used. Investigated materials are classified as nanocomposites, a new group of engineering
materials with promising, but not fully known physical properties, requiring the use of
appropriate methods of production due to the size and properties of the dispersed phase.
The subject of research presented in the doctoral thesis was to confirm the possibility
of obtaining polymer hybrid nanocomposites containing nanoparticles differ in shape (aspect
ratio) (1D and 2D), which due to the high aspect ratio and a specific high surface area show a
strong tendency to agglomeration, which is difficult to provide the effective distribution in the
polymer matrix. Resulting in the process of chemical synthesis of the polymer matrix (in situ)
polymer hybrid nanocomposites were characterized by a high degree of uniformity of the
structure and improved physical properties. Efficiency of in situ polymerization in obtaining
hybrid nanomaterials has been evaluated through synthesis of thermoplastic polyesters (PET
and PTT) along with thermoplastic elastomers (PTT-PTMO). The effect of the addition of
nanofillers, either of each individual, as well as mixtures of both, on the properties of the
polymer matrix was assessed by morphology analysis, phase transitions and crystal structure,
thermal stability, barrier properties (for 2D nanoparticles), mechanical strength and electrical
conductivity.
Implementation of this PhD thesis has brought a lot of new information about
obtaining and characterization of polymer nanocomposites. Conditions for preparing 1D and
2D nanoparticle dispersions in a liquid substrate has been established using ultrasonic
vibration alternately with a mechanical stirrer (and additionally for 2D nanostructures a few
hours' use of weak ultrasounds) and conducting the synthesis depending on the type of
polymer matrix. It was also shown that the addition of single-wall carbon nanotubes and
graphene nanoplatelets with a concentration of not higher than 0.6 wt % to the condensation
polymers allows obtaining lightweight, electrically conductive composite materials with
improved thermal stability and improved mechanical properties. Additionally, for
nanocomposites based on PTT-PTMO the positive hybrid effect has been observed, for both,
improvement in mechanical properties and electrical conductivity. The observed synergistic
hybrid effect may be a response to the demands posed by modern materials for various
183
industries and are the result of the phenomena occurring in the polymer in the presence of
carbon nanoparticles and the effects on the verge of a filler- filler and filler-polymer. The
knowledge gained in the course of the carried out work is an important cognitive and
contribute to the development and application of this new group of composite materials.
184
“Hybrydowe nanokompozyty polimerowe z udziałem nanocząstek węglowych. Synteza in
situ i właściwości fizyczne”
Praca doktorska
Sandra Paszkiewicz
Streszczenie
Głównym celem niniejszej pracy doktorskiej była próba wykorzystania ogromnego
potencjału hybrydowych nanocząstek węglowych przewodzących prąd elektryczny i ich
nadzwyczajnych właściwości mechanicznych i cieplnych do otrzymania nanomateriałów
polimerowych, na bazie poliestrów kondensacyjnych (PET, PTT) oraz elastomerów
termoplastycznych (PTT - PTMO) metodą polimeryzacji in situ. Oceniono wpływ dodatku
nanorurek węglowych, grafenów oraz mieszaniny ich obu, na właściwości mechaniczne,
elektryczne oraz ich przetwórstwo. Dodatkowo zbadano wpływ różnych odmian grafenów na
właściwości barierowe poliestrów termoplastycznych. Do otrzymania badanych
nanokompozytów wykorzystano dwa rodzaje jednościennych nanorurek węglowych oraz
sześć różnych odmian grafenów, różniących się wielkością płatków, ale też ilością płytek.
Badane materiały zaliczane są do nanokompozytów, nowej grupy materiałów inżynierskich o
obiecujących, lecz nie w pełni poznanych właściwościach fizycznych, wymagających
zastosowania odpowiednich metod produkcji ze względu na rozmiary oraz właściwości fazy
rozproszonej.
Przedmiotem badań przedstawianych w rozprawie doktorskiej było potwierdzenie
możliwości otrzymania hybrydowych nanokompozytów polimerowych, zawierających
nanocząstki różniące się kształtem (współczynnikiem kształtu) (1D oraz 2D), które ze
względu duży współczynnik kształtu oraz dużą powierzchnię właściwą wykazują silną
tendencję do aglomeracji, co stanowi trudność w zapewnieniu efektywnej ich dystrybucji w
osnowie polimerowej. Otrzymane w procesie syntezy chemicznej osnowy polimerowej (in
situ) hybrydowe nanokompozyty polimerowe charakteryzowały się wysokim stopniem
jednorodności struktury oraz polepszonymi właściwościami fizycznymi. Efektywność
polimeryzacji in situ w otrzymaniu nanomateriałów hybrydowych została oceniona w
zastosowaniu do nanokompozytów na bazie poliestrów termoplastycznych (PET, PTT) oraz
elastomerów termoplastycznych (PTT-PTMO). Wpływ dodatku nanonapełniaczy, zarówno
każdego z osobna, jak i mieszaniny ich obu, na właściwości osnowy polimerowej badano na
podstawie analizy morfologii, przemian fazowych oraz struktury krystalograficznej,
stabilności termicznej, barierowości (tylko dla nanocząstek 2D), wytrzymałości mechanicznej
i przewodnictwa elektrycznego.
Realizacja niniejszej rozprawy przyniosła wiele nowych informacji na temat
otrzymywania i charakterystyki nanokompozytów polimerowych. Ustalono warunki
przygotowania dyspersji nanocząstek 1D oraz 2D w ciekłym substracie z wykorzystaniem
drgań mieszadła ultradźwiękowego naprzemiennie z mieszadłem mechanicznym (oraz
dodatkowo dla nanostruktur 2D wykorzystanie wielogodzinnego oddziaływania słabych
ultradźwięków) oraz prowadzenie syntezy zależnie od rodzaju osnowy polimerowej.
Wykazano ponadto, że dodatek jednościennych nanorurek węglowych oraz nanopłytek
grafenowych o stężeniu nie wyższym niż 0.6 % wag. do polimerów kondensacyjnych
185
pozwala na otrzymanie lekkich, elektrycznie przewodzących materiałów kompozytowych o
podwyższonej stabilności termicznej i polepszonych właściwościach mechanicznych.
Dodatkowo dla nanokompozytów na bazie PTT-PTMO został zaobserwowany pozytywny
efekt hybrydowy, zarówno w przypadku poprawy właściwości mechanicznych jak i
przewodnictwa elektrycznego. Zaobserwowany synergiczny efekt hybrydowy może stanowić
odpowiedź na wymagania stawianymi nowoczesnym materiałom przez różne gałęzie
przemysłu i są wypadkową zjawisk zachodzących w polimerze w obecności nanocząstek
węglowych oraz oddziaływań na granicy nanonapełniacz- nanonapełniacz oraz
nanonapełniacz - polimer. Wiedza uzyskana w toku przeprowadzonych prac ma duże
znaczenie poznawcze i stanowi wkład do rozwoju i aplikacji tej nowej grupy materiałów
kompozytowych.
186