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