Dynamic mechanical properties of hybrid nanocomposite materials

Abstract

Predmet istraživanja ove doktorske disertacije pripada oblasti nanomateijala i nanotehnogija koja je u trendu savremenih istraživanja. Posebno su intenzivna istraživanja u oblasti polimernih nanokompozita gde tradicionalno slabe strane polimera (niske vrednosti parametara mehaničke čvrstoće i loša termostabilnost) se značajno poboljšavaju primenom malog udela nano punioca i ojačanja uz neznatan porast gustine. Razvijena je metoda dizajniranja strukture nanokompozitnih balističkih materijala sa gledišta poboljšanja njihovih svojstava otpornosti pri udarima visoke energije. Proučeni su uslovi dobijanja laminarnih kompozitnih materijala p-aramid/poli (vinil butiral). Poli (vinil butiralni) sloj nanošen je u obliku disperzije poli (vinil butirala) i nano čestica SiOR2R u etil-alkoholu, pri čemu su korišćene modifikovane i nemodifikovane čestice SiOR2 Rsa vezujućim agensom-AMEO silanom. Na taj nači je utvrđen veliki značaj modifikacije nano čestica SiOR2R sa silanima na mehanička, termička i antibalistička svojstva dobijenih hibridnih nanokompozitnih materijala. Savremena istraživanja u ovoj oblasti usmerena su u pronalaženju mehanizama zaustavljanja rasta prsline modifikovanjem strukture na nano nivou što je i predmet ove doktorske disertacije. Proučavanja u okviru ove disertacije bila su usmerena na istraživanja mehanizama apsorpcije energije u nanokompozitima pri udarnim opterećenjima visoke energije i ponašanje nano čestica kao konstituenata u strukturi hibridnih kompozitnih materijala. Sinteza ovih nanokompozitnih materijala izvršiće se primenom koloidnih suspenzija koje se karakterišu ekstremnim porastom viskoznosti pri velikim brzinama smicanja kojima su izloženi pri udarnim naprezanjima. Originalnost ideje se ogleda što je princip hibridizacije primenjen na izradu laminatnih balističkih ploča sa laminama koje su različito nanomodifikovane a samim tim i sa različitim svojstvima. Značaj ove ideje je što različito nanomodifikovane lamine omogućavaju izradu funkcionalno gradijentnih kompozitnih materijla od nano do mikro nivoa. Ciljevi ove disertacije su višestruki: 1) proučavanje mehanizama procesiranja nano prahova različitih oksida u različitim disperzionim sredstvima prema klasičnim metodama i savremenim metodama modifikovanja površine čestica; 2) eksperimentalna istraživanje uticaja procesnih uslova brizganja i toplog presovanja hibridnih nonokompozita sa tkaninama od aramidnih vlakana sa različitim udelom modifikovanih nanočestica na njihova dinamickomehanička svojstva (modul sačuvane i izgubljene energije i tangens gubitaka) u različitom temperaturnom intervalu pri različitim frekvencijama); 3) eksperimentalna istraživanje uticaja procesnih uslova brizganja i toplog presovanja hibridnih laminatnih nonokompozita sa matricom od poli (vinil butirala) sa razlicitim udelom modifikovanih cestica silicijum dioksida na makromehanicka svojstva (Jungov modul elasticnosti, zatezna cvrstoca, prekidno izduženje); 4) eksperimentalna ispitivanja otpornosti na razaranje dobijenih hibridnih nanokompozitnih materijala na udar velikim energijama i brzinama (standardna balisticka ispitivanja sa municijom u realnim uslovima).

The purpose of this dissertation is to investigate the effects of lamination and hybrid soft armor systems through ballistic impact. The investigation was carried out by using dynamic mechanical analysis and actual ballistic testing. The most important conclusions derived from this research are that lamination of the systems with very low resin content are superior to multiple non-laminated systems, and this advance could be improved further by hybrid systems using nanomodified fabric layers on the impact side and relatively tighter woven fabrics between the layers. This dissertation reports the preparation of SiOR2R and TiOR2R/poly (vinyl butyral) nanocomposites with enhanced dynamic mechanical properties. Silica and titania nanoparticles were introduced in the matrix as the neat powder and as colloidal sol using the melt mixing process. Composites reinforced with colloidal sol silica and titania showed higher mechanical properties than the ones reinforced with as-received particles. When sol TiOR2R particles are used, the highest increase of storage modulus of about 54% is obtained for 5 wt% loading, while for sol SiOR2R, the storage modulus increases with the addition of nanosilica with the largest increase of about 99% for 7 wt% loading. In addition, nanocomposites were introduced within Kevlar/PVB composites. The addition of 5 wt% silica and titania colloidal sol lead to the remarkable increase of the storage modulus for about 98 and 65%, respectively. Largest contribution of nanoreinforcements in lowering the glass transition temperature is observed for 7 wt% loading of TiOR2R and SiOR2R colloidal sol. This study reports the manufacture of new fabric forms from the preparation of hybrid laminated multi-axial composites with enhanced thermo-mechanical properties. Thermal and dynamic mechanical analysis of polymer matrix films and fabricated hybrid composites were employed in order to determine the optimal material composition and reinforcement content for composites with improved viscoelastic properties. The introduction of 5 wt. % silica nanoparticles in a composite of p-aramid– poly(vinyl butyral) led to significant improvements in the mechanical properties, and the addition of silane coupling agents yielded maximal values of the storage modulus for hybrid nanocomposites. The introduction of silane led to a better dispersion and deagglomeration of SiOR2R particles and to the formation of chemical bonds between organic and inorganic constituents, or p-aramid–poly(vinyl butyral) composites. In this way, the mobility of macromolecules was reduced, which can be seen from the decreasing value of damping factor for the p-aramid–poly(vinyl butyral) composite. Analysis of the glass transition temperature of the composite with amino-functionalized silica nanoparticles revealed improved thermal stability in addition to the aforementioned mechanical properties of the tested materials.