Τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV) είναι συσκευές που παρουσιάζουν μια ελκυστική λύση για εφαρμογές ηλιακής ενέργειας λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής τους, της μηχανικής ευκαμψίας και τη δυνατότητα παραγωγής συσκευών μεγάλης έκτασης και μικρού βάρους. Οι πιο αποδοτικοί δέκτες ηλεκτρονίων μέχρι σήμερα στα OPVs βασίζονται σε τροποποιημένα φουλερένια. Ωστόσο, χρειάζονται περαιτέρω βελτιώσεις προκειμένου να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική μεταφορά των διαχωρισμένων φορέων στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια. Προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση έχουν γίνει, είτε επηρεάζοντας την αναμειξιμότητα μεταξύ του δότη και δέκτη είτε με την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων. Νέα υβριδικά υλικά με βάση το φουλλερένιο έχουν χρησιμοποιηθεί για να επηρεάσουν τις ημιαγώγιμες ιδιότητες των πολυμερών. Δεδομένου ότι οι πολυκινολίνες αποτελούν μια από τις πλέον υποσχόμενες κατηγορίες πολυμερών μεταφοράς φορτίου (οπής ή ηλεκτρονίου) για εφαρμογή σε διάφορες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές, ο συνδυασμός τους με C60 αναμένεται να παράσχει μια λύση για την ενίσχυση των οπτικών, μορφολογικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων. Πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι η τροποποίηση των πολυκινολινών ώστε να έχουν χαμηλότρες τιμές LUMO θα ενισχύσει τις ιδιότητες τους ως δέκτες ηλεκτρονίων. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι ηλεκτρονικές ιδιότητες διαφόρων υλικών που αντιστοιχούν στα διαδοχικά στάδια σύνθεση ενός νέου υβριδικού συμπολυμερικού δέκτη μέσω των φασματοσκοπιών φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και ακτινοβολία UV (XPS/UPS). Το τελικό υβριδικό πολυμερές που μελετήθηκε είναι η πολυ-πενταφθόροφενυλοκινολίνη η οποία υβριδίστηκε με C60 (P5FQ-C60). Το μονομερές πενταφθόροφενυλοκινολίνη (Ph5FQ), το καθαρό C60 και το υβριδικό μονομερές Ph5FQ-C60 έχουν επίσης μελετηθεί. Επίσης μελετήθηκαν τα υβριδικά συμπολυμερή P3OT-co-P5FQ και P3OT-co-(P5FQ-Ν-C60) με αναλογία 1:10 για χρήση ως δέκτες ηλεκτρονίων με καλύτερη αναμειξιμότητα με τον δότη. Για την φασματοσκοπική έρευνα τα δείγματα αποτέθηκαν σε υποστρώματα Si με χρήση spin coating από διαλύματα τολουολίου, THF ή χλωροφορμίου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε θάλαμο ανάλυσης υπερυψηλού κενού (βασική πίεση 5x10-9 mbar). Από τις μετρήσεις XPS η κορυφή F1s των μη υβριδικών μορίων εμφανίστηκε σε ενέργεια σύνδεσης (BE) 688.3 eV, μια τιμή που αντιστοιχεί σε άτομα φθορίου με δεσμούς C-F. Η ίδια κορυφή μετατοπίζεται σε χαμηλότερες ενέργειες σύνδεσης σε όλα τα υβριδικά υλικά, υποδεικνύοντας την επίδραση των μορίων C60 στο ηλεκτρονιακό νέφος των φθορίων της κινολίνης. Από τα φάσματα UPS μετρήθηκε το υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (HOMO) σε σχέση με το επίπεδο Fermi καθώς και το κατώφλι υψηλών ενεργειών σύνδεσης (HBE) για κάθε υλικό. Από αυτά, υπολογίστηκε το έργο εξόδου τους, ενώ από το άθροισμα του έργου εξόδου και της ενέργειας σύνδεσης του ΗΟΜΟ υπολογίστηκαν οι Ενέργειες Ιονισμού (ΙΡ). Αυτή είναι μια χρήσιμη παράμετρος για τον χαρακτηρισμό των ημιαγώγιμων πολυμερών επειδή αντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ του ΗΟΜΟ και του επιπέδου κενού και σε συνδυασμό με το ενεργειακό χάσμα (Eg) μπορεί να υπολογιστεί η χαμηλότερο μη κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (LUMO). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ιδιότητες των ημιαγώγιμων πολυμερών ή μονομερών μπορούν αποτελεσματικά να επηρεαστούν με υβριδοποίηση με χρήση νανοδομών του άνθρακα, που σε αυτή την περίπτωση είναι το C60. / Organic photovoltaic (OPV) devices present an attractive solution for solar energy applications due to their inherently low material costs, mechanical flexibility, and the potential of scalability to large area, light weight, devices. The most efficient electron accepting materials used so far in OPVs are based on modified fullerenes. However, further improvement is needed in order to achieve more efficient transport of the separated charges to the respective electrodes. Attempts to this direction have been made either by influencing the miscibility between the donor and acceptor phases or by the development of more efficient electron donor or electron acceptor materials. New hybrid materials comprising of fullerene can been used to tune the semiconducting properties of polymers. Since polyquinolines are one of the most promising classes of electron-transporting and electron-accepting polymers for use in various optoelectronic applications their combination with C60 is expected to provide a route for the modulation of their optical, morphological as well as their electronic properties. Previous work has shown that the modification of polyquinolines towards lower LUMO values will increase their electron accepting properties. In this work the electronic properties of various materials that correspond to the sequential synthesis steps of a novel hybrid copolymeric acceptor are investigated by x-ray and UV photoelectron spectroscopies (XPS/UPS). The hybrid material under investigation is the newly synthesised poly-perfluorophenylquinoline(P5FQ-C60) hybridised with C60. The perfluorophenylquinoline monomer (P5FQ, Fig1a), C60 on its own and the hybrid P5FQ-C60 are also studied. The hybrid copolymers P3OT-co-P5FQ and P3OT-co- (P5FQ-N-C60) with a ratio of 1:10 are also studied for use as electron acceptors to confer better miscibility with the donor. For the spectroscopic investigation the samples were deposited on Si substrates by spin coating from toluene,THF or chloroform solutions. The measurements were carried out in an ultrahigh vacuum analysis chamber (base pressure 5x10-9 mbar) equipped with a hemispherical electron energy analyzer, a twin anode X-ray source for XPS and a discharge UV lamp for UPS. The XPS F1s photo-peak from the non hybrid samples appeared at binding energy (BE) 688.3 eV, a value that corresponds to fluorine atoms in C-F bonds. The same peak was shifted to lower binding energy in the case of all hybrid materials. Despite the fact that the F1s peak has a measurable signal, the C1s component corresponding to C-F bonds (BE=289.4 eV) appeared to be at noise level for all the materials under investigation. This is attributed to the fact that the photoionization cross section of C1s is about four times lower than that for F1s. From the UP spectra the Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) with respect to the Fermi Level and the high binding energy (HBE) cut off can be measured. From the latter the work function of the material is calculated, while the sum of the work function and the binding energy of HOMO correspond to the Ionization Potential (IP). This is a useful parameter for the characterization of semiconducting polymers because it corresponds to the distance between the HOMO and the vacuum level and in combination with band gap (Eg) values can be used for the calculation of the Electron Affinity or in other words the Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) position. The results demonstrate that the semiconducting properties of polymeric or monomeric materials can be effectively tuned by hybridization with carbon based nanostructures, in this case C60.

Τα δομικά πολυμερή είναι ευαίσθητα σε βλάβες με τη μορφή των ρωγμών, οι οποίες σχηματίζονται βαθιά μέσα στη δομή τους, όπου η ανίχνευση είναι δύσκολη και η επισκευή είναι σχεδόν αδύνατη. Το σπάσιμο οδηγεί σε μηχανική υποβάθμιση των ενισχυμένων με ίνες πολυμερικών σύνθετων υλικών. Στα μικρο-ηλεκτρονικά πολυμερή μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ηλεκτρολογική βλάβη. Η ζημία εμφανίζεται σχεδόν σε κάθε σύνθετο υλικό σε μορφή μικρο-ρωγμών που αναπτύσσονται στη εποξειδική μήτρα η οποία δεσμεύει τις ίνες μαζί. Οι μικρο-ρωγμές προκαλούνται από τη θερμική και μηχανική καταπόνηση και είναι ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στα εποξειδικά πολυμερή. Ένα in-situ σύστημα αυτόνομης ίασης, με ενσωματωμένες μικρο-κάψουλες και έναν καταλύτη ώστε να προκαλέσει μια αντίδραση μεταθέσεως με άνοιγμα δακτυλίου (ROMP), μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια προσπάθεια να δεσμεύσει ξανά τις μικρο-ρωγμές. Ανεξάρτητα από την εφαρμογή, αφού έχουν σχηματιστεί ρωγμές εντός πολυμερικών υλικών, η ακεραιότητα της δομής τους είναι σημαντικά μειωμένη. Σε αυτή τη διατριβή γίνεται μελέτη για τη θεραπεία των ζημιών λόγο αποκόλλησης σε εποξειδικά σύνθετα υλικά ενισχυμένα με υφάσματα ινών. Μελετώνται δύο τύποι διαδικασίας επούλωσης. Στον πρώτο, ένα καταλυμένο μονομερές χειροκίνητα εγχέεται στην περιοχή θραύσης λόγω αποφλοίωσης. Στον δεύτερο, περιγράφεται ένα πλήρως ολοκληρωμένο in situ σύστημα με ενσωματωμένες μικρο-κάψουλες και τον καταλύτη τους. Για το πρώτο σύστημα, ελέγχθηκαν δείγματα δοκού διπλής άρθρωσης (DCB) για να μελετηθεί η επούλωση της αποελασματοποίησης σε σύνθετα συγκρίνοντας την ανθεκτικότητα του παρθένου δείγματος με τη σκληρότητα του ίδιου δείγματος μετά την πλήρης επούλωση. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και Φασματοσκοπία Raman χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των επιφανειών θραύσης, ώστε να παρουσιαστούν τα φυσικά στοιχεία της επισκευής. Στη συνέχεια, περιγράφεται η ανάπτυξη ενός πολυμερικής μήτρας σύνθετου υλικού που έχει την ικανότητα να θεραπεύει ρωγμές αυτόματα. Το σύστημα χρησιμοποιεί έναν παράγοντα επισκευής μονομερούς, δικυκλοπενταδιένιο (DCPD), το οποίο είναι αποθηκευμένο σε μικρο-κάψουλες οι οποίες περιέχουν τον υγρό παράγοντα επισκευής, διεσπαρμένες στην εποξειδική μήτρα. Όταν το υλικό έχει υποστεί βλάβη, ρωγμές διαδίδονται μέσω του υλικού σπάζοντας τις μικρο-κάψουλες, απελευθερώνοντας τον παράγοντα επισκευής εντός του επιπέδου της ρωγμής. Τέλος, ο παράγοντας DCPD επισκευής στερεοποιείται με πολυμερισμό μεταθέσεως με άνοιγμα δακτυλίου (ROMP) όταν έρχεται σε επαφή με ένα, με βάση το ρουθήνιο, καταλύτη (Grubbs), ο οποίος διασπείρεται και αυτός εντός της μήτρας. Η διαδικασία με την οποία παρασκευάζονται οι μικρο-κάψουλες γεμάτες με DCPD και οι διάφορες τεχνικές όπως οπτική μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), θερμική βαρυμετρική ανάλυση (TGA) και δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA) που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των μικρο-κάψουλων συζητούνται σε αυτήν την εργασία. / Structural polymers are susceptible to damage in the form of cracks, which form deep within the structure where detection is difficult and repair is almost impossible. Cracking leads to mechanical degradation of fibre-reinforced polymer composites; in microelectronic polymeric components it can also lead to electrical failure. Damage occurs in almost every composite material in the form of microcracks that develop in the epoxy matrix that binds the fibers together. Microcracking induced by thermal and mechanical fatigue is also a long-standing problem in polymer adhesives. An in-situ self-healing system uses embedded microcapsules and a catalyst that trigger a romp reaction in an effort to rebond the microcracks. Regardless of the application, once cracks have formed within polymeric materials, the integrity of the structure is significantly compromised. A study of the healing of delamination damage in woven reinforced epoxy composites is performed in this thesis. Two types of healing process are studied. In the first, a catalyzed monomer is manually injected into the delamination. In the second, a fully integrated in situ system is described with embedded microcapsules and catalyst. Double-cantilever-beam (DCB) specimens were tested to study the healing of delamination in composites by comparing the toughness of the virgin specimen with the toughness of the same specimen after healing was complete. Scanning electron microscopy (SEM) and Raman Spectroscopy are used to analyze the fracture surfaces and provide physical evidence of repair. The development of a self-healing polymer-matrix composite material that possesses the ability to heal cracks autonomically is described. The system uses a monomer repair agent, dicyclopentadiene (DCPD), which is stored in an epoxy matrix by dispersing microcapsules containing the liquid repair agent throughout the matrix. When the material is damaged, cracks propagate through the material and break open the microcapsules, releasing the repair agent into the crack plane. Finally, the DCPD repair agent solidifies by ring-opening metathesis polymerization (ROMP) after coming in contact with a ruthenium-based catalyst (Grubbs' catalyst) dispersed in the matrix. The process by which the DCPD-filled microcapsules are prepared and the various techniques such as optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermal gravimetric analysis (TGA) and dynamic mechanical analysis (DMA) to characterize the microcapsules are discussed in this work.

Η παρούσα εργασία αναφέρεται σε νανοσύνθετα βιο-αποικοδομήσιμα οργανικά πολυμερή, με κύρια πολυμερική μήτρα το πολυγαλακτικό οξύ (PLA). Η ερευνητική κοινότητα δείχνει μεγάλο ενδιαφέρον για την χρήση και την ανάπτυξη των βιοδιασπώμενων πολυμερών. Με αυτά αναμένεται να μειωθούν οι επιπτώσεις των πλαστικών υλικών στο περιβάλλον. Στην βιβλιογραφία υπάρχει μεγάλη δραστηριότητα για την ανάλυση του ανθρακικού αποτυπώματος των διασπώμενων πολυμερών. Επίσης, η ερευνητική κοινότητα εστιάζει την προσοχή της και στην μελέτη των ιδιοτήτων των βιοδιασπώμενων πολυμερών. Στο μέλλον αναμένεται να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν σε τομείς που τώρα, λόγω των περιορισμένων μήχανικών τους ιδιοτήτων δεν εφαρμόζονται. Βασικό αντικείμενο μελέτης στην εργασία αυτή ήταν η αλληλεπίδραση οργανικών σφαιρικών νανοσωματιδίων από πολυ(οξικό βινυλεστέρα) με το πολυγαλακτικό οξυ. Για να δημιουργηθεί μια εικόνα της συμπεριφοράς του πολυγαλκατικού οξέος σαν πολυμερική μήτρα, συντέθηκαν και αξιολογήθηκαν μίγματα απο ομοπολυμερή πολυ(οξικού βινυλεστέρα) (PVAc) πολυβινυλικης αλκοόλης (PVOH) και πολυαμιδίου (PA11, PA12). Ύστερα παρασκευάσθηκαν νανοσύνθετα φιλμ απο νανοσωματίδια δικτυωμένου πολυστυρολίου (NPs-PS), δικτυωμένου πολυ(οξικού βινυλεστέρα) (NPs-PVAc) και νανοσωματίδια δικτυωμένης παλυ(βινυλικής αλκοόλης) (με βαθμούς υδρόλυσης H.D.: 100, 50, 48 και 38%). Εν συνεχεία, στην πολυμερική μήτρα απο PLA εισήχθησαν νανοδομές δικτυωμένου πολυ(στυρενοσουλφονικού δεκαέξυλου τριμεθυλαμμωνίου) (PSSAmC16-ΑΝ) σε διάφορες αναλογίες (1, 2, και 5%) και νανοδομημένα δίκτυα δικτυωμένου πολυστυρολίου (PS-NN). Τέλος οι μηχανικές ιδιότητες όλων των φιλμ αξιολογήθηκαν μέσω δοκιμής τάσης-εφελκυσμού και τα μορφολογικά τους χαρακτηριστικά μελετήθηκαν μέσω της ηλεκτρονιακής μικροσκοπίας σάρωσης SEM. / The scientific community shows great interest in the use and development of biodegradable polymers, due to their low impact on the environment. In literature there is plenty of research activity on the analysis of biodegradable polymers in comparison to the CO2 emission during the life cycle of polymer products. The carbon footprint of biodegradable polymers is far smaller than those of conventional polymers. The biodegradable materials are so desirable because these are expected to overcome significant problems such as environmental pollution, waste management issues which are created by plastics, as well as their oil dependence. Thus, the research community is focused on the study of the properties of biodegradable polymers and their potential use in applications where their design is mainly limited by the material's mechanical properties, such as modulus, strength and other characteristic properties of the behavior of the polymers (such as miscibility, optical transparency and barrier properties). In the present work blends of PLA with the homopolymers polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc) and polyamides (PA11, PA12) were made and the quality of the synthesized films was assessed. In a further step, spherical organic nanoparticles of PS, PVAc (either non-hydrolyzed or hydrolyzed with hydrolysis degree H.D.: 100, 50, 48 and 38%) as well as assymetric nanostructures of polystyrene sulfonate ammonium salt (PSSAmC16-AN) and PS-NN were incorporated into the PLA matrix in various percentages (1, 2, and 5%). Afterwards the mecahanical properties of the blends were evaluated by stress-strain measurements, whereas their morphological characteristics were tested through scanning electron microscopy (SEM).

Η μελέτη της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας σε σύνθετα συστήματα ελαστομερικής μήτρας με ενσωματωμένα ανόργανα νανοεγκλείσματα, παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον τόσο από τη πλευρά της έρευνας όσο και από τη πλευρά των εφαρμογών. Η μεγάλη τους ανάπτυξη οφείλεται, κυρίως, στην ηλεκτρική συμπεριφορά που παρουσιάζεται σε εναλλασσόμενο πεδίο αλλά και στο ευρύ φάσμα εφαρμογών που περιλαμβάνει τις δομικές και μηχανικές εφαρμογές, τις ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές και τέλος εφαρμογές σε πεδία όπως η οπτική, οπτοηλεκτρονική, βίο- νανοτεχνολογία και σε διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που αφορούν τα σύνθετα υλικά, τη θεωρία των διηλεκτρικών, την ηλεκτρική απόκριση σύνθετων υλικών με ελαστομερική μήτρα και τις μεθόδους αποθήκευσης ενέργειας σε τέτοια συστήματα. Στο δεύτερο μέρος εξετάζεται η διηλεκτρική απόκριση ελαστομερικών σύνθετων υλικών με ενσωματωμένα νανοσωματίδια στρωματικά άλατα πυριτίου και η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας μέσω της συνάρτησης πυκνότητας ενέργειας. / The study of the energy storage efficiency in elastomeric matrix composites with embedded inorganic nano-inclusions, presents an increasing interest not only from the research point of view, but also from the technological applications side. Their increased development is mainly ought to their electric behavior, under the influence of an alternating field, but also to a wide range of applications, which include structural and mechanical applications, electric and electronic applications and finally, applications in fields such as optical, optoelectrical, and bio-nanotechnology. At the first part of this final project basic issues concerning composite materials, the theory of dielectrics, electric response of composites materials in a elastomeric matrix, and the methods of energy storing at the examined systems are presented. In the second part, the dielectric response of elastomeric composites with embedded layered silicates nanoinclusions is investigated. Finally, the energy storage efficiency of the nanocomposites is examined via the density of energy.

Τα νανοϋλικά και κατ' επέκταση τα νανοσύνθετα υλικά, έχουν προσελκύσει τόσο το επιστημονικό όσο και το βιομηχανικό ενδιαφέρον. Σήμερα, τα νανοσύνθετα υλικά είναι αρκετά διαδεδομένα και χρησιμοποιούνται από όλους τους κλάδους της επιστήμης, όπως οργανική χημεία, μοριακή βιολογία, βιοϊατρική και επιστήμη των υλικών. Τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη επιφάνεια επαφής, πράγμα που επηρεάζει τη φυσική, χημική και βιολογική συμπεριφορά τους. Επομένως, αυτή η κλίμακα είναι μοναδική, αφού καθίσταται δυνατή η αλλαγή σε θεμελιώδεις ιδιότητες των υλικών. Τα τελευταία χρόνια η εμφάνιση των πολυμερικών συνθέτων νανοϋλικών είχε σαν αποτέλεσμα την αντικατάσταση των μετάλλων σε πολλές τεχνολογικές και κατασκευαστικές εφαρμογές και αυτό οφείλεται στην ευκολία παραγωγής τους και το χαμηλό τους κόστος. Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας αποτελούνται από ένα πολυμερές ως μήτρα και ίνες ή κόκκους ως το μέσο ενίσχυσης. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν σε θερμοκρασία δωματίου. Τα κεραμικά νανοϋλικά και τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα είναι οι επικρατέστερες μορφές ενίσχυσης υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την παρασκευή προηγμένων σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με βελτιωμένες μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Επιπλέον τα σύνθετα αυτά, παρουσιάζουν μεγάλη απορρόφη¬ση ενέργειας κατά την ταλάντωση (damping) με αποτέλεσμα να αποσβένουν τις μηχανικές ταλαντώ-σεις. Η απόσβεση της ενέργειας στα σύνθετα υλικά είναι μία χαρακτηριστική ιδιότητα της δυναμικής τους συμπεριφοράς μέσα σε μια κατασκευή. Με τον έλεγχο της συχνότητας συντονισμού γίνεται δυνατή η επιμήκυνση του χρόνου ζωής της κατασκευής, όταν αυτή υποβάλλεται σε μηχανική κόπωση. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν ινώδη και κοκκώδη πολυμερικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση διαφόρων νανοεγκλεισμάτων, όπως νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), γραφένιο (GNP), καρβίδιο του πυριτίου (nSiC) και διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της δυναμικής τους συμπεριφοράς μέσω μηχανικής ταλάντωσης, με τις τεχνικές της ελεύθερης ταλάντωσης δοκού και της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης, DMA. Οι βασικές παράμετροι που υπολογίστηκαν από την ταλάντωση των δοκιμίων είναι ο συντελεστής απωλειών, tanδ και ο συντελεστής απόσβεσης, ζ, το μέτρο αποθήκευσης, E' και η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, Tg. Έπειτα, γίνεται ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων προκειμένου να διαπιστωθεί η μεταβολή της απόσβεσης των υπό εξέταση υλικών, από την προσθήκη νανοεγκλεισμάτων μέσα στη μήτρα. Τέλος, γίνονται κάποιες προτάσεις προς μελλοντική έρευνα για τη βελτίωση της διασποράς των εγκλεισμάτων μέσα στη μήτρα, αλλά και η περαιτέρω μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων απόσβεσης των παρασκευασθέντων υλικών, σε συνδυασμό με τον χαρακτηρισμό τους μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. / Nanomaterials and nanotechnologies play a significant role in many fields of modern science, such as material science, chemistry, molecular biology and medicine. They exhibit novel, better physical and chemical properties than the bulk materials. This is a result of the change in the electronic structure, which is responsible for electroconductivity, optical absorption, chemical reactivity, catalytically activity and mechanical properties. In the past few decades there has been a great expansion in research related to the polymer nanocomposites, due to development of advanced materials for many engineering applications. Polymer nanocomposites is a combination of polymer matrix with a large range of filler materials both, organic or inorganic and are considered to be an important group of relatively inexpensive materials, reproducible and easy to process. Polymer nanocomposites possess properties that are unique; for example high modulus carbonaceous nanofillers or ceramic nanoparticles are added into the matrix to produce reinforced polymer composites that exhibit significantly enhanced mechanical properties, including strength, modulus and fracture toughness. Furthermore, they exhibit a superior level of damping over most metals and ceramics. Damping in composite materials is an important feature of the dynamic behavior of structures, controlling the resonant and near-resonant vibrations and thus prolonging the service life of structures under fatigue loading and impact. This project is investigating the damping properties of carbon nanotubes (CNTs), graphene (GNP) and silicon carbide (nSiC) based glass-fiber reinforced polymer nanocomposites and titanium dioxide (TiO2) based polymer nanocomposites, in which nanofillers are dispersed into the polymer matrix. Incorporation of nanofillers into the polymer matrix, results in substantial changes in the mechanical and thermal properties of the polymer nanocomposites. These nanofillers play a very promising role due to their better structural and functional properties such as high aspect ratio, high mechanical strength, high thermal and electrical properties etc, than others. The later sections will discuss about processing of CNT, GNP, nSiC, TiO2/polymer composites by different routes such as solution mixing and polymerization. Therefore, the main goal of this project is the successful development of these polymer nanocomposites and characterization of their dynamic response. The test procedure involved experiments using cantilever beam specimens subjected to an impulse input and furthermore dynamic mechanical analysis, DMA. Loss factor (tanδ), damping coefficient (ζ), storage modulus (E') and glass transition temperature (Tg) when then derived. The validity of the re¬sults depends largely upon the analysis procedure used to process the raw data. These results were compared and tabulated. These leads to a discussion of the properties of the nanofillers, their dispersion within the polymer matrix and finally the outlook for the future.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης είναι η κατά βάση πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας περίσφιγξης ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών, ενισχυμένων με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών και σύνθετων υλικών ανόργανης μήτρας. Το πειραματικό πρόγραμμα διεξήχθη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το πρόγραμμα αυτό, περιελάμβανε δύο σειρές δοκιμίων. Η πρώτη περιελάμβανε έξι δοκίμια και η δεύτερη δέκα. Η κατηγοριοποίηση σε σειρές έγινε με βάση το λόγο πλευρών των δοκιμίων. Έτσι, την πρώτη σειρά αποτέλεσαν δοκίμια με λόγο πλευρών (3:1), ενώ τη δεύτερη δοκίμια με λόγο πλευρών (4:1). Ένα δοκίμιο από κάθε σειρά δοκιμάσθηκε χωρίς ενίσχυση και αποτέλεσε μέτρο σύγκρισης για όλα τα υπόλοιπα. Τρία δοκίμια από κάθε σειρά ενισχύθηκαν με τρείς στρώσεις FRP και με θυσάνους. Ακόμα, ένα δοκίμιο από κάθε σειρά ενισχύθηκε με δύο στρώσεις FRP, χωρίς χρήση θυσάνου. Επίσης, δύο υποστυλώματα από τη δεύτερη σειρά ενισχύθηκαν με δύο στρώσεις FRP, θυσάνους και δύο επιπρόσθετες στρώσεις FRP τύπου U, στις δύο μικρές πλευρές. Τέλος, ένα δοκίμιο από κάθε σειρά ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις TRΜ, ενώ άλλο ένα με τέσσερις στρώσεις TRΜ και με θυσάνους. / The subject of this thesis is the experimental investigation of the effectiveness of confining rectangular columns with large aspect ratio, reinforced with fiber reinforced polymers and with tensile reinforced mortars. The experimental program was conducted at the Laboratory of Engineering and Technology of Materials in Civil Engineering, University of Patras. This program is consisted of two sets of samples. The first included six small scale columns and the second ten. The categorization in series was based on the aspect ratio of the specimens. So specimens with aspect ratio (3: 1) were included in the first series, while the second included specimens with aspect ratio (4: 1). One specimen from each series was tested without any reinforcement and became the comparison for all the rest. Three specimens from each series were reinforced with three layers of FRP and anchors. Still, a sample from each series was reinforced with two layers of FRP, without use of anchors. Also, two columns of the second series of amplified with two layers FRP, anchors and two additional layers of FRP type U, in the two smaller sides. Finally, a sample from each series was reinforced with four layers TRM, while another one to four layers TRM and anchors.

We study the flow of a dilute polymer solution in a wavy channel under steady-state flow conditions by employing the non-equilibrium thermodynamics two-fluid model (Mavrantzas-Beris, 1992), allowing for the coupling between polymer concentration and polymer stresses. The resulting highly complex system of partial differential equations describing inhomogeneous transport phenomena in the fluid are solved with an efficient implementation of the mixed finite-element method. We present numerical results for polymer concentration, stress, velocity and fluxes of polymer as a function of the non-dimensional parameters of the problem (the Deborah number , the Peclet number , the Reynolds number , the ratio of the solvent viscosity to the total fluid viscosity , and the constriction ratio of the channel width ). We find that the constricted part of the wall is depleted of polymer, when the polymer diffusion length-scale, expressed by the ratio of / , increases. The migration is more pronounced for macromolecules characterized by longer relaxation times, and takes place towards the expanding part of the channel or towards the centerplane. Migration is also enhanced by the width variability of the channel: the more corrugated the channel, the stronger the transfer of polymer to the centerplane. This increases the spatial extent of polymer depletion near the wall or induces a zone of sharp variation in polymer stress and concentration, which moves away from the channel wall, especially in lower polymer concentration. The development of a polymer-depleted layer smooths out the boundary layer which is known to arise with Boger fluids at the walls of such corrugated channels or tubes and gives rise to an “apparent” slip in the constricted section of the wall and to a very low value of the drag force on the wall. When and where boundary layers arise, they scale as (1/De) for the stresses and as (De⁄Pe)^(1⁄3) for the concentration. / --

Η χρήση επιφανειακά τροποποιημένων νανοσωλήνων ως ενισχυτικό μέσο σε πολυμερή σύνθετα υλικά έχει αναφερθεί σε εκτενώς στην βιβλιογραφία [53,77,80]. Στην μελέτη μας εφαρμόστηκαν οξειδωτικές διεργασίες σε νανοσωλήνες πολλαπλού τοιχίου (MWCNTs) για να βελτιωθεί η συμβατότητα τους με την πολυμερική μήτρα. Μελετήθηκε η επίδραση της οξείδωσης στην δομή των MWCNTs με όξινες διεργασίες (HΝΟ3 και ένα μείγμα H2SO4/H2O2) και με μια βασική (ΝΗ4ΟΗ/Η2Ο2). Για να καθαριστεί το πρωτογενές υλικό εφαρμόστηκε μια μη-οξειδωτική διεργασία (με HCl) επίσης . Η ηλεκτρονική μικροσκοπία και η θερμοσταθμική ανάλυση φανέρωσαν ότι το υλικό που είναι τροποποιημένο με HNO3 υπέστη τον υψηλότερο βαθμό υποβάθμισης, όπως τον τεμαχισμό των νανοσωλήνων και επιπρόσθετη παραγωγή ατελειών στο γραφιτικό δίκτυο. Η βασική οξειδωτική κατεργασία οδήγησε σε πλήρη απομάκρυνση του άμορφου άνθρακα και των προσμείξεων μεταλλικών οξειδίων αλλά η δομική ακεραιότητα φάνηκε να είναι ανέγγιχτη. Η φασματοσκοπία XPS χρησιμοποιήθηκε για να επιβεβαιώσουμε τις διαφορετικές λειτουργικές ομάδες καρβοξυλίων και υδροξυλίων που παράγει ο κάθε οξειδωτικός φορέας. Εξετάστηκε η πιθανότητα ελέγχου του απαιτούμενου ποσού δραστικών ομάδων, μέσω των διεργασιών οξείδωσης Οι οξειδωμένοι MWCNTs χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτη ύλη για την παρασκευή ξηρών υμενίων. Τα υμένια MWCNTs παρασκευάστηκαν με διήθηση αιωρήματος νανοσωλήνων που προετοιμάστηκαν από διαφορετικές οξειδωτικές διεργασίες, και μελετήθηκαν οι τοπολογικές και μηχανικές ιδιότητες τους. Οι μηχανικές ιδιότητες των υμενίων έχουν βρεθεί να είναι ισχυρά εξαρτώμενες από τα τοπολογικά χαρακτηριστικά όπως το πορώδες και το μέγεθος των συσσωματωμάτων των νανοσωλήνων. Βρέθηκε ότι υμένια χαμηλού πορώδους που είναι προετοιμασμένα από υψηλά οξειδωμένους CNTs οδηγούν σε ενίσχυση των μηχανικών τους ιδιοτήτων, και εμφανίζουν μεταφορά φορτίου μεταξύ των νανοσωλήνων. Αυτό δίνει την δυνατότητα στα υμένια αυτά να χρησιμοποιηθούν ως ενισχυτικές νανοδομές που αποτελούν (μαζί με την ρητίνη) τις πρώτες ύλες για την παρασκευή πολυμερών συνθέτων υλικών. Τέλος επιχειρήθηκε η παρασκευή πολυμερών νανοσύνθετων με βάση τις ενισχυτικές νανοδομές οξειδωμένων MWCNTs χρησιμοποιώντας την τεχνική RFI (Resin Film Infusion). Τα παραγόμενα υλικά διαθέτουν βελτιωμένο μέτρο ελαστικότητας έναντι της καθαρής ρητίνης, κάτι το οποίο διαπιστώθηκε μέσω μηχανικού εφελκυσμού. Η τεχνική παρασκευής νανοσύνθετων χρήζει περαιτέρω διερεύνησης για την χρήση της σε βιομηχανική κλίμακα, ως μεθόδου παρασκευής προηγμένων υλικών. / The use of surface treated carbon nanotubes as a reinforcing media in polymer composites has been referred widely in literature [53,77,80]. In our work oxidative treatments to multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) was applied in order to improve their compatibility with the polymer matrix. The effect of oxidation on the structure of MWCNTs was studied by acidic treatments (HΝΟ3 and a mixture of H2SO4/H2O2) and by one basic (ΝΗ4ΟΗ/Η2Ο2). To purify the pristine material a non-oxidative treatment (by HCl) was carried out. Electron microscopy and thermogravimetric analysis revealed that HNO3 treated material got the highest degree of degradation, like cutting of nanotubes and extra production of defects on graphitic network. Basic oxidative treatment led to complete removal of amorhous carbon and metal oxide impurities but the structural integrity was kept intact. XPS spectroscopy was used to verify different functionalities, carboxyl and hydroxyl groups, that every oxidation agent produces. Also we examined the possibility of control the required amount of functionalities through different via these oxidation treatments. The oxidized MWCNTs used as raw material for the production of sheets. The MWCNTs sheets were produced by nanotube suspension filtration. The topological and mechanical properties of MWCNTs sheets were studied. Sheet’s mechanical properties were found to be strongly dependent to topological characteristics like porosity and nanotubes clusters’ size. Also was found that low porosity sheets that are prepared by highly oxidized MWCNTs lead to enhancement of their mechanical properties and reveal improved stress transfer between nanotubes. This provides the possibility to MWCNTs sheets to be used as reinforcing nanostructures that comprise (with resin) the main components for manufacturing of polymer composite materials. Finally, production of polymer nanocomposites based on oxidized MWCNTs reinforcing nanostructures was attempted, by using the RFI technique (Resin Film Infusion). The produced materials offer improved Young modulus against neat resin that was examined by tensile testing. The manufacturing technique requires further investigation in order to be applied in industrial grade, as a production method of advanced materials.

Η εργασία αυτή αποτελείται από επτά κεφάλαια: Στο Πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια πρώτη γνωριμία με τα Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας. Συγκεκριμένα γίνεται αναφορά στις ιδιότητες και είδη των υλικών που συνθέτουν τα παρα-πάνω στοιχεία. Στη συνέχεια στο Δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των έως τώρα εφαρμογών των στοιχείων ΙΑΜ. Το Τρίτο κεφάλαιο πραγματεύεται την παρουσίαση των βασικών μηχανισμών λειτουργίας των λεπτότοιχων στοιχείων ΙΑΜ έναντι διαφόρων εντατικών καταστάσεων. Επίσης παρου-σιάζονται και εξισώσεις σχεδιασμού που δίδονται από την διεθνή βιβλιογραφία. Στο Τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση που έχει ως στόχο την κατανόηση της λειτουργίας των σύμμικτων στοιχείων που αποτελούνται από σύνθετα υλικά και σκυρόδεμα. Στην βιβλιογραφική ανασκόπηση παρουσιάζονται εργασίες που ασχο-λούνται με την διερεύνηση της συμπεριφοράς: • Συστημάτων ενίσχυσης στοιχείων με ΙΑΜ, • Παραμενόντων τύπων από Ινοπλισμένα Πολυμερή • Παραμενόντων τύπων από Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας. Στο Πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της πειραματικής μεθοδολογίας που ακολου-θήθηκε, ενώ στα κεφάλαια έξι και επτά γίνεται η παρουσίαση των πειραματικών αποτελε-σμάτων και των συμπερασμάτων που εξήχθησαν από αυτά αντίστοιχα. / -

- / -