Σκοπός της παρούσας εργασίας ειδίκευσης ήταν η παρασκευή νανοσύνθετων υλικών οργανικής μήτρας, καθώς και η θεωρητική πρόβλεψη της θερμικής τους αγωγιμότητας. Στα πλαίσια της εργασίας πραγματοποιήθηκε η παρασκευή σύνθετων πολυμερικών υλικών εποξειδικής μήτρας, ενισχυμένων με δύο είδη νανοσωματιδίων ίδιας φύσης και διαφορετικής δομής (πολυφλοιϊκοί νανοσωλήνες άνθρακα - MWCNTs και πολυστρωματικά γραφένια - GNPs) καθώς και ένα τρίτο είδος νανοσωματιδίων διαφορετικής φύσης (νανοκαρβίδιο του πυριτίου - NanoSiC). Επίσης, πραγματοποιήθηκε η παρασκευή ινωδών σύνθετων υλικών (CFRP μονής διεύθυνσης και διάταξης [0]16) ενισχυμένων με δύο είδη νανοσωματιδίων (GNPs και MWCNTs). Για την παρασκευή των δοκιµίων εφαρμόστηκε η μέθοδος του «masterbatch», σύμφωνα με την οποία παρασκευάζεται ένα μίγμα εποξειδικής ρητίνης και νανοσωματιδίων, υψηλής κατά βάρος περιεκτικότητας, που αναδεύεται σε αναµίκτη υψηλών στροφών, υπό συνθήκες κενού, ελεγχόμενης θερµοκρασίας και ταχύτητας ανάµιξης. Από το «masterbatch», προσθέτοντας κάθε φορά, την επιθυμητή ποσότητα ρητίνης προέκυψαν μίγματα διαφόρων κατά βάρος περιεκτικοτήτων (1, 3, 5, 10 και 15% κ.β. σε GNPs - 1 και 3% κ.β. σε MWCNTs - 1, 3, 5 και 10% κ.β. σε NanoSiC). Το τελικό µίγµα εγχύθηκε σε καλούπια σιλικόνης και εισήχθη σε φούρνο, όπου ακολούθησε η διαδικασία πολυµερισµού για 2h σε θερμοκρασία 120°C. Τέλος, παρασκευάστηκαν πολύστρωτες πλάκες [0]16 πολυστρωματικών γραφενίων και πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα αντιστοίχων περιεκτικοτήτων. Τα δοκίµια που προέκυψαν από την παραπάνω διαδικασία, χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό της θερμικής αγωγιμότητας, με τη βοήθεια του Mathis Tci Analyzer. Από τη μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων προέκυψε ότι η θερμική αγωγιμότητα των συνθέτων αυξάνεται, αυξανομένης της συγκέντρωσης των νανοεγκλεισμάτων. Επίσης, τα πολυστρωματικά γραφένια αποτελούν τη βέλτιστη ενίσχυση, σε σχέση με τα υπόλοιπα είδη νανοσωματιδίων που χρησιμοποιήθηκαν, για την βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας τόσο των νανοενισχυμένων πολυμερών όσο και των ινωδών συνθέτων, γεγονός το οποίο οφείλεται κυρίως στη δομή και τη γεωμετρία του. Επίσης, πραγματοποιήθηκε εφαρμογή επιλεγμένων θεωρητικών μοντέλων πρόβλεψης της εγκάρσιας θερμικής αγωγιμότητας, προκειμένου να διαπιστωθεί τυχόν σύγκλιση των θεωρητικών τιμών με τις πειραματικές τιμές. Από την μελέτη των θεωρητικών αποτελεσμάτων προέκυψε ότι το μοντέλο Lewis – Nielsen προβλέπει με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο τη θερμική αγωγιμότητα των νανοενισχυμένων πολυμερών, ενώ το μοντέλο που ανέπτυξε ο Hashin τη θερμική συμπεριφορά των ινωδών σύνθετων υλικών. / The purpose of the present master thesis was the experimental and modeling study on the through-thickness thermal conductivity of epoxy nanocomposites. The first step was the dispersion of three different nanoparticles (Graphite-Nanoplatelets - GNPs, Multi Walled Carbon Nanotubes – MWCNTs, Nano-Silicon Carbide - NanoSiC) in a high volume fraction mixture, which is called «masterbatch». The manufacturing technique that was applied was mechanical high speed shearing. Then, «masterbatch» was used for the preparation of epoxy polymers of various volume fractions, reinforced with GNPs, MWCNTs and NanoSiC. Silicon molds were used for the fabrication of the polymer specimens. The polymerization profile was consisted of two hours in temperature 120°C. Moreover, two different types of carbon fiber-reinforced nanocomposites (Unidirectional – UD [0]16) were prepared, which were reinforced with GNPs and MWCNTs in corresponding volume fractions to polymers. The through-thickness thermal conductivity characterization was materialized through Mathis Tci Analyzer. Next, multiple theoretical models were evaluated to predict through-thickness thermal conductivity of both composite systems, and then compared to the experimental results. The results showed that high filler volume fractions heighten thermal conductivity. Moreover, Graphite – Nanoplatelet nanoparticles showed greater thermal conductivity than Carbon Nanotubes and Nano-Silicon Carbide, thanks to its structure and morphology. Lewis –Nielsen model was the appropriate one for the prediction of epoxy polymers, reinforced both GNPs and MWCNTs. Hashin model predicted the through thickness thermal conductivity of carbon fiber reinforced nanocomposites, reinforced both GNPs and MWCNTs.

Η παρούσα διατριβή είχε ως σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της επαναμορφοποίησης στις μηχανικές κυρίως ιδιότητες δυο πολύ κοινών πολυμερών, του πολυαιθυλενίου και του πολυπροπυλενίου. Τα πολυμερή αυτά, χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές και για αυτό το λόγο ο όγκος των απορριμμάτων τους αποτελεί ένα σοβαρό περιβαλλοντικό πρόβλημα. Παρόλο που αποτελούν υλικά εύκολα ανακυκλώσιμα, πολύ μικρό ποσοστό από τα απορρίμματα τους ανακτώνται. Περιβαλλοντικοί αλλά και οικονομικοί λόγοι οδήγησαν στην ιδέα να κατασκευαστούν κάποια προϊόντα χαμηλών απαιτήσεων, τα οποία μέχρι τώρα κατασκευάζονται από καθαρά πολυμερή, από πλήρως ανακτημένη πρώτη ύλη. Η δυσκολία στην εφαρμογή των ανακτημένων υλικών έγκειται στο ότι αυτά περιέχουν διάφορα πρόσθετα, καταπονούνται αρκετά από την έκθεση τους σε περιβαλλοντικούς παράγοντες όσο διάστημα χρησιμοποιούνται ή βρίσκονται στους χώρους ενταφιασμού και οι πολλαπλές επαναμορφοποιήσεις τους είναι πιθανόν να προκαλέσουν υποβάθμιση του υλικού. Για αυτό το λόγο, μελετήθηκαν επαναμορφοποιημένα δείγματα από πολυαιθυλένιο και πολυπροπυλένιο άγνωστης προϊστορίας και καταπόνησης σε σύγκριση με τα αντίστοιχα καθαρά υλικά, προκειμένου να γίνει σύγκριση των ιδιοτήτων τους και κατ’ επέκταση μια εκτίμηση της επίδρασης του βαθμού επαναμορφοποίησης στη μηχανική τους συμπεριφορά. Παράλληλα, όλα τα δείγματα, επαναμορφοποιημένα και μη, μελετήθηκαν φασματοσκοπικά, ώστε να διαπιστωθεί αν η διαδικασία ανάκτησης έχει προκαλέσει μεταβολές στη χημική δομή των υλικών αυτών. Από τις τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν (φασματοσκοπία υπερύθρου και Raman, DSC και TGA) διαπιστώθηκε ότι δεν έχει επέλθει αλλαγή στη χημική δομή των ανακυκλωμένων υλικών. Όσον αφορά τις διαφοροποιήσεις που εκείνα παρουσίασαν σε σχέση με τα αντίστοιχα καθαρά υλικά, αποδίδονται στην παρουσία προσθέτων, χρωστικών ουσιών κυρίως, που τα ανακτημένα υλικά περιείχαν. Η μηχανική συμπεριφορά των επαναμορφοποιημένων, ιδιαίτερα στην περίπτωση του πολυαιθυλενίου ήταν παρόμοια με αυτή των καθαρών δειγμάτων και τα αποτελέσματα συγκρίσιμα. Αντίθετα, στην περίπτωση του πολυπροπυλενίου η διαδικασία ανάκτησης είχε υποβαθμίσει πολύ το υλικό με αποτέλεσμα να εμφανίζει πολύ κατώτερες μηχανικές ιδιότητες. Όλα τα επαναμορφοποιημένα υλικά είχαν υποστεί ως ένα βαθμό περιβαλλοντική γήρανση καθώς ήταν εκτεθειμένα για αρκετό χρονικό διάστημα σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Η επίδραση της έκθεσης όμως δεν ήταν δυνατόν να αξιολογηθεί, αφού δε ήταν γνωστό το ακριβές χρονικό διάστημα καθώς και οι συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασίας κ.λπ. Για αυτό το λόγο, τόσο τα ανακτημένα όσο και τα καθαρά δείγματα, υπέστησαν τεχνητή επιταχυνόμενη περιβαλλοντική γήρανση, προκειμένου να μελετηθεί η επίδρασή της στις ιδιότητες των υλικών. Αυτό που παρατηρήθηκε και σε αυτές τις δοκιμές ήταν ότι, ανάλογα με τον βαθμό επαναμορφοποίησης στα μη γηρασμένα υλικά, η τεχνητή γήρανση επηρέασε κατά κύριο λόγο τις αντοχές των υλικών σε κάθε μηχανική καταπόνηση και δευτερευόντως τις φυσικές ιδιότητες τους. Σε γενικές γραμμές, διαπιστώθηκε ότι τα επαναμορφοποιημένα δείγματα HDPE δεν παρουσιάζουν μεταβολές ως προς τη χημική δομή τους, ενώ δίνουν συγκρίσιμα αποτελέσματα στις μηχανικές δοκιμές τόσο στο μέτρο ελαστικότητας όσο και στην αντοχή. Μετά τη γήρανση, η αντοχή τους μειώνεται σημαντικά παρόλα αυτά, η συνολική τους μηχανική απόκριση κρίνεται ικανοποιητική. Αντίθετα τα επαναμορφοποιημένα δείγματα ΡΡ, εμφάνισαν ακόμα και πριν την τεχνητή γήρανση, αισθητά χαμηλότερες μηχανικές ιδιότητες (χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε σχέση με τα παρθένα υλικά), παρόλο που δεν παρουσίασαν καμία αλλαγή στη χημική τους δομή. / Reforming effect on thermoplastics mechanical properties was the subject of this thesis. More specifically, samples of polyethylene and polypropylene were chosen to be tested, as they are widely used in many applications and consequently there is a large amount of municipal waste of this kind. Even though, these polymers are easily recyclable compared to other polymers, only 2% of this kind of municipal waste gets recycled in Greece nowadays. Economical and environmental reasons, researchers led to the idea of constructing products out of completely recycled materials. Recycling process faces many difficulties; the most important of these is the addition of pigments (additives) such as colors, coupling agents etc, which make polymer recycling heavier or even impossible in some cases. Moreover, these materials degrade signifantly because of their exposure to the environment while they are used in exterior application or get thrown in landfills after use. As the collection of completely recycled materials was quite impossible, virgin and reformed of known and unknown history samples of polyethylene and polypropylene, are examined, as for their chemical structure and mechanical properties, in order to get compared and finally reach a conclusion if reformed materials are appropriate for getting used in some applications. Through Raman and Infrared Spectroscopy, it was observed no change in reformed materials’ chemical structure before and after reforming process. Also, their thermal behavior appeared many similarities between virgin materials and reformed ones. However, these similarities did not appear in mechanical tests. Even though, reformed HDPE of known and unknown history showed comparable and very close properties with these of virgin, it is observed a lack of stability in their mechanical behavior, especially in case of reformed unknown history polyethylene. In the case of polypropylene, the reformed samples were always inferior to the virgin ones, in all tests, probably to its degradation during reforming process. In order to determine accurately, the weathering effect on samples behaviour, they were imposed to artificial ageing in oven, in controlled temperature, humidity etc. As in non aged samples, reforming ratio plays significant role in samples’ physical properties, which appear dominantly changed after ageing. As it was expected, mechanical behavior has changed after ageing, too. However, there were no significant reduce in moduli of elasticity in tensile, compression and flexural tests, a dramatic reduce in strength in every mechanical test was observed between samples before and after ageing.