Durability of multi-scale reinforced epoxy composites

Abstract

Epoxy resins have proven to be one of the most favourable polymeric materials in modern industrial and commercial applications. Versatility in final properties is the key reason behind such a widespread acceptance of this class of polymeric materials. However, their inherent hydrophilic and insulating nature still pose limitations associated with environmental exposure risks. The combined introduction of carbon conductive phases from different scale sizes, multi-scaled reinforcing approach, has exhibited promising beneficiary results in both the electrical conductivity and the environmental durability capabilities of epoxy based structures.Based on the aforementioned, this thesis is concerned with the study of epoxy modification using the multi-scaled reinforcement approach. This approach involves the combined inclusion of two types of carbonaceous fillers that belong to different size scales. In the presented efforts, multi-walled carbon nano-tubes (MWCNTs) and milled carbon (MC) were selected as nano- and micron- scaled fillers respectively. The resulting ternary formulations were studied and compared to epoxy, MWCNTs and MC binary ones. Selected material properties were studied according to the end-user application, in both epoxy composites and fibre-reinforced composites (FRCs) composites levels. Hydrothermal exposure studies were conducted and the effect of the multi-scaled reinforcement on durability was benchmarked. In a parallel study, the capabilities of metallic structures corrosion protection was assessed. Neat, binary and ternary formulations were employed as coatings on aluminium and steel substrates for electrochemical and galvanic current studies. Acoustic Emission measurements were coupled and corrosion monitoring capabilities were investigated. In the vast majority of the results the ternary composites, outperformed both the neat epoxy and the binary composites. Improvements were observed in electrical conductivity, fracture toughness, tensile strength, shear strength, thermal degradation resistance and glass transition temperature. The detrimental effects of water absorption were less evident in the case of the ternary composites leading to a superior durability compared to neat and binary composites. The ternary composites exhibited greater corrosion protection capabilities regardless the metallic substrate in all electrochemical measurements and was manifested on all of the potential values. The observed results indicated a less active surface, capable of more stable and predictable performance, in the case of the ternary coatings, a pattern that can be associated to the improved durability. The overall performance of the ternary composites was attributed to the formation of a 3D network of interconnected CNTs and MC particles. A network that was capable to facilitate electrical flow, hinder crack initiation and propagation, restrict chain mobility and more effectively mitigate hydrothermal degradation effects. AE measurements revealed health monitoring capabilities in all coating formulations and specific indices were correlated with several corrosion phenomena.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολήθηκε με την μελέτη της επίδρασης της κλίμακας μεγέθους ανθρακικών πρόσθετων, στις τελικές ιδιότητες σύνθετων υλικών με εποξική μητρική φάση. Μέσω προκαταρκτικών μελετών επιλέχθηκαν οι νανοσωλήνες πολλαπλού τοιχώματος και ο άμορφος άνθρακας ως ενισχυτικά πρόσθετα, τα οποία είτε μεμονωμένα είτε συνδυαστικά εφαρμόστηκαν σε αναμείξεις υψηλών διατμητικών δυνάμεων. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για μελέτη της επίδρασης της μεθοδολογίας τροποποίησης (μίας ή πολλαπλής κλίμακας), σε εύρος ιδιοτήτων συναρτήσει πρωτόκολλων υδροθερμικής καταπόνησης. Επιλέχθηκε να μελετηθεί ένα εύρος μηχανικών, θερμομηχανικών, ηλεκτρικών και φυσικών ιδιοτήτων ώστε να μελετηθούν τα όρια και οι περιορισμοί της εκάστοτε μεθοδολογίας τροποποίησης τόσο σε επίπεδο ενίσχυσης εποξικού συνθέτου, αλλά και σε επίπεδο μητρικής φάσης σύνθετων υλικών με ινώδη ενισχυτική φάση.Στην πλειοψηφία των αποτελεσμάτων, η τροποποίηση πολλαπλής κλίμακας, οδήγησε σε σημαντικές βελτιώσεις ιδιοτήτων, ενώ αποδείχτηκε ικανότερη στην μείωση φαινομένων υδροθερμικής καταπόνησης. Χαρακτηριστικά, στην περίπτωση της αντοχής σε διάτμηση τύπου-ΙΙ σε επίπεδο σύνθετου με τροποποιημένη εποξική μήτρα σε πολλαπλή κλίμακα, η αθροιστική αύξηση άγγιξε το 120%, η οποία ήταν και η υψηλότερη βελτίωση στη σχετική βιβλιογραφία κατά την περίοδο των μετρήσεων. Η σημαντικές βελτιώσεις ιδιοτήτων, αποδόθηκαν στην δημιουργία τρισδιάστατου δικτύου σωματιδίων με συνεργιστικά φαινόμενα μεταξύ των διαφορετικών νάνο- και μίκρο- κλίμακας πρόσθετων. Το υβριδικό δίκτυο σωματιδίων το οποίο αποτελείτο από μεμονωμένους νανοσωλήνες, συσσωματώματα νανοσωλήνων μίκρο- και νάνο- διαστάσεων, μικρό-ίνες άνθρακα και άμορφο γραφίτη, εμφανίστηκε πιο αποτελεσματικό συγκρινόμενο με τα μίας κλίμακας αντίστοιχα δίκτυα, στην ενίσχυση ιδιοτήτων όπως δυναμικό ιξώδες, δυσθραυστότητα τύπου-Ι και -ΙΙ.Σε παράλληλη μελέτη, εφαρμόστηκε η τεχνική Ακουστικής Εκπομπής σε μετρήσεις ηλεκτροχημείας υποστρωμάτων αλουμινίου επικαλυμμένα με εποξικές επικαλύψεις τροποποιημένες σε μία και πολλαπλή κλίμακας μεγέθους, με στόχο τη μελέτη δυνατοτήτων της τεχνικής σαν εργαλείο ελέγχου διάβρωσης. Η τεχνική ακουστικής εμφάνισε ικανότητες σαν εργαλείο ελέγχου καθώς χαρακτηριστικοί δείκτες των σημάτων εμφάνισαν συσχέτιση με χαρακτηριστικές περιοχές και φαινόμενα διάβρωσης.