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Towards sustainable micro and nano composites from fly ash and natural fibers for multifunctional applications
Manufacturing of petroleum based synthetic materials, exploitation of timber products from forest reserves, improper management of industrial wastes and natural resources greatly persuade the environmental contaminations and global warming. To find viable solutions and reduce such alarming issues, innovative research work on recycling of unutilized materials such as fly ash and natural cellulosic polymers has been reported in this work to develop advanced sustainable hybrid micro/nano composites. In this study, the use of natural cellulosic sisal fibers with fly ash has enhanced the tensile properties and surface finish of composites. Fly ash particulates acted as fillers, additives, as well as surface-finishing medium and sisal fibers as reinforcing elements in achieving glossy finish sustainable composites. The developed composites have been found to be stronger than wood, plastics and have many opportunities for multifunctional applications
Physicoâmechanical properties of nanoâpolystyreneâdecorated graphene oxideâepoxy composites.
In this work, nano polystyrene (nPS) decorated graphene oxide (GO) hybrid nanostructures were successfully synthesized using stepwise micro emulsion polymerization, and characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometer (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and transmission electron microscopy (TEM). XRD and FTIR spectra revealed the existence of a strong interaction between the nPS and GO, which implies that the polymer chains were successfully grafted onto the surface of the GO. The nPS decorated GO hybrid nanostructures were compounded with epoxy by hand lay-up technique, and the effect of the nPS-GO on the mechanical, thermal and surface morphological properties of the epoxy matrix was investigated by Universal tensile machine (UTM), Izod impact tester, thermogravimetric analysis (TGA) and contact angle measurement by a goniometer. It was observed that in the epoxy matrix, GO improved the compatibility
Elektrische, piezoresistive und thermische Charakterisierung der Kohlenstoffstruktur "Aerographit" und deren Epoxidkomposite
Aufgrund ihres groĂen Potentials fĂŒr Anwendungen in der Energiespeicherung,
Sensorik oder Optik sind dreidimensional strukturierte Kohlenstoffmaterialien
und deren Polymerkomposite immer öfter Gegenstand
aktueller Forschung. Eine dieser Kohlenstoffstrukturen â Aerographit
â wird in dieser Dissertation behandelt. Ziel dieser Arbeit ist eine
umfassende Charakterisierung von Aerographit hinsichtlich mechanischer,
elektrischer und thermischer Eigenschaften. Diese werden sowohl
fĂŒr das reine Aerographit als auch fĂŒr dessen Epoxidkomposite diskutiert.
Der Durchdringungsverbund, der durch Infiltration des Aerographits
mit Epoxidharz entsteht, stellt eine Besonderheit gegenĂŒber partikelmodifizierten
Kohlenstoffnanokompositen dar.
Aerographit wird zunÀchst auf Basis von hochporösen Zinkoxid-Templaten
bestehend aus tetrapodenförmigen Partikeln mittels chemischer
Gasphasenabscheidung in verschiedenen Dichten hergestellt. Die Dichten
liegen dabei im Bereich von 0,6 mg/cmÂł bis 13,9 mg/cmÂł. Die hergestellten
Proben werden mittels Rasterelektronenmikroskopie und
Transmissionselektronenmikroskopie hinsichtlich ihrer Morphologie
charakterisiert. Eine Bewertung der GraphitqualitÀt erfolgt mittels thermogravimetrischer
Analyse und Ramanspektroskopie. Ein nanokristalliner
Aufbau der graphitischen WĂ€nde konnte identifiziert werden. Zu
Vergleichszwecken wird ein Teil der Proben einer thermischen Nachbehandlung
unterzogen, bei der eine Nachgraphitisierung erfolgt. Vor der
Herstellung des Aerographitkomposites werden auĂerdem mechanische,
elektrische sowie piezoresistive Eigenschaften des reinen Aerographits
bestimmt.
AnschlieĂend erfolgt die Weiterverarbeitung des Aerographits zu einem
Komposit, indem es in einem vakuumassistierten Infiltrationsverfahren
mit Epoxidharz ausgefĂŒllt wird. Neben der elektrischen LeitfĂ€higkeit im
Ausgangszustand werden piezoresistive Eigenschaften unter verschiedenen
LastzustĂ€nden ermittelt und in AbhĂ€ngigkeit des FĂŒllgrads diskutiert.
Die elektrische LeitfĂ€higkeit ist um GröĂenordnungen höher als bei partikelmodifizierten Polymerkompositen und erreicht Werte von bis zu
13,6 S/m. Die elektrische Widerstandsantwort wird unter Druckbelastung
sowie unter quasistatischer, zyklischer und inkrementeller Zugbelastung
ausgewertet. Die erhaltenen WiderstandsverlÀufe werden mit
Hilfe phĂ€nomenologischer Modelle unter BerĂŒcksichtigung der besonderen
Aerographitmorphologie erklÀrt. Durch eine Analyse der BruchflÀchen
nach dem quasistatischen Zugversuch konnte das aneinander Abgleiten
von Graphitlagen als dominierender Versagensmechanismus des
Komposites identifiziert werden. Als ursĂ€chlich fĂŒr charakteristische
Widerstandsantworten unter Belastung wird vor allem das, bedingt
durch Reib- und Van-der-Waals-KrÀfte, zeitabhÀngige Verformungsverhalten
des Aerographitnetzwerkes sowie das teleskopartige Auseinanderziehen
einzelner Tetrapoden gesehen.
In einer weiteren Untersuchung wird die thermische LeitfÀhigkeit der
Aerographitkomposite bestimmt. Anders als bei der elektrischen LeitfÀhigkeit
ist die Verbesserung hier gering. Letztlich werden die elektrische
und thermische LeitfÀhigkeit der Komposite mit wÀrmebehandeltem Aerographit
dargestellt. Die Nachgraphitisierung hat einen erheblichen
Einfluss und fĂŒhrt zu einer Verbesserung beider LeitfĂ€higkeiten.Due to their great potential for applications in energy storage, sensor
technology or optics, three-dimensionally structured carbon materials
and their polymer composites are increasingly the subject of current research.
One of these carbon structures - Aerographite - is treated in this
dissertation. The aim of this thesis is a comprehensive characterization
of Aerographite with regard to mechanical, electrical and thermal properties.
These are discussed for the pristine Aerographite and for its
epoxy composites. The interpenetrating compound, which is formed by
infiltration of the Aerographite with epoxy resin, is a special feature compared
to particle-modified carbon nanocomposites.
Aerographite is first produced in different densities on the basis of highly
porous zinc oxide templates consisting of tetrapod-shaped particles by
means of chemical vapor deposition. The densities are in the range from
0.6 mg/cmÂł to 13.9 mg/cmÂł. The samples produced are characterized
by means of scanning electron microscopy and transmission electron microscopy
with respect to their morphology. The graphite quality is evaluated
by means of thermogravimetric analysis and Raman spectroscopy.
A nanocrystalline structure of the graphitic walls could be identified. For
purposes of comparison, some of the samples are subjected to a thermal
post-treatment in which graphitization takes place. Prior to the production
of the Aerographite composite, mechanical, electrical and piezoresistive
properties of the pristine Aerographite are also determined.
Subsequently, the further processing of the Aerographite into a composite
is performed by filling it with epoxy resin in a vacuum-assisted infiltration
process. In addition to the electrical conductivity in the initial
state, piezoresistive properties under different load conditions are determined
and discussed depending on the filler content of the composite.
The electrical conductivity is by orders of magnitude higher than in particle-
modified polymer composites and assumes values of up to 13.6
S/m. The electrical response is evaluated under compressive load as well
as under quasi-static, cyclic and incremental tensile load. The obtainedresistance curves are explained by means of phenomenological models,
taking into account the unique morphology of Aerographite. By analyzing
the fracture surfaces after the quasi-static tensile test, the sliding off
of graphitic layers could be identified as the dominant failure mechanism
of the composite. The reasons for characteristic resistance responses under
stress are the time dependent deformation behavior of the Aerographite
network due to friction and Van der Waals forces, as well as a
possible the telescopic extension of individual tetrapods.
The thermal conductivity of the Aerographite composites was determined.
Unlike the electrical conductivity, the improvement is small. Finally,
the electrical and thermal conductivity of the composites are presented.
Post-graphitization has a considerable influence and leads to an
improvement in both conductivities