Growth of Carbon Nanofibers and Carbon Nanotubes by Chemical Vapour Deposition on Half-Heusler Alloys:A Computationally Driven Experimental Investigation

The possibility of directly growing carbon nanofibers (CNFs) and carbon nanotubes (CNTs) on half-Heusler alloys by Chemical Vapour Deposition (CVD) is investigated for the first time, without using additional catalysts, since the half-Heusler alloys per se may function as catalytic substrates, according to the findings of the current study. As a carbon source, acetylene is used in the temperature range of 700–750 °C. The n-type half-Heusler compound |(Zr0.4Ti0.6)0.33Ni0.33(Sn0.98Sb0.02)0.33 is utilized as the catalytic substrate. At first, a computational model is developed for the CVD reactor, aiming to optimize the experimental process design and setup. The experimental process conditions are simulated to investigate the reactive species concentrations within the reactor chamber and the activation of certain reactions. SEM analysis confirms the growth of CNFs with diameters ranging from 450 nm to 1 μm. Raman spectroscopy implies that the formed carbon structures resemble CNFs rather than CNTs, and that amorphous carbon also co-exists in the deposited samples. From the characterization results, it may be concluded that a short reaction time and a low acetylene flow rate lead to the formation of a uniform CNF coating on the surface of half-Heusler alloys. The purpose of depositing carbon nanostructures onto half-Heusler alloys is to improve the current transfer, generated from these thermoelectric compounds, by forming a conductive coating on their surface

Comparative Physical–Mechanical Properties Assessment of Tailored Surface-Treated Carbon Fibres

Carbon Fibres (CFs) are widely used in textile-reinforced composites for the construction of lightweight, durable structures. Since their inert surface does not allow effective bonding with the matrix material, the surface treatment of fibres is suggested to improve the adhesion between the two. In the present study, different surface modifications are compared in terms of the mechanical enhancement that they can offer to the fibres. Two main advanced technologies have been investigated; namely, plasma treatment and electrochemical treatment. Specifically, active screen plasma and low-pressure plasma were compared. Regarding the electrochemical modification, electrochemical oxidation and electropolymerisation of monomer solutions of acrylic and methacrylic acids, acrylonitrile and N-vinyl pyrrolidine were tested for HTA-40 CFs. In order to assess the effects of the surface treatments, the morphology, the physicochemical properties, as well as the mechanical integrity of the fibres were investigated. The CF surface and polymeric matrix interphase adhesion in composites were also analysed. The improvement of the carbon fibre’s physical–mechanical properties was evident for the case of the active screen plasma treatment and the electrochemical oxidation

Incorporation effect of carbon nanotubes into organic coatings

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

Optimised growth and functionalisation of 1-D carbon nanostructures for the reinforcement of advanced nanocomposite materials

Carbon nanostructures and specifically nanotubes and/or nanofibres, are important materials in nanotechnology as the main example of one-dimensional structures. Further development of these nanomaterials, as well as their use in a wide range of applications in the construction sector (shipbuilding, automotive, aeronautics, etc.), depends on their availability at feasible quantities and reasonable cost.The thesis aims at exploring the synthesis, modification and use of carbon nanotubes and/or nanofibers in a wide range of demanding applications. The application of these nanomaterials concerns mainly the construction sector and it is realized by exploiting their excellent physicochemical properties such as mechanical strength and electrical conductivity.The research work is structured in three main pillars: the growth of the carbon nanostructures, their proper chemical modification depending on the application, and finally the evaluation of the properties of the produced nanocomposite material in which nanostructures are used. The three axes are supported by the life cycle analysis principle. The reinforced materials are compared with the conventional ones, not only in terms of performance and functionality, but also of the possible environmental impact during their synthesis, use and application. For this reason, potential effects of carbon nanostructures on human health and ecosystems are also investigated through toxicity studies.The first part of the dissertation is devoted to the growth of the fibrous carbon nanostructures in the most efficient way. For this reason, the thermal catalytic chemical vapor deposition (TC-CVD) has been chosen, which ensures the synthesis of large amounts of carbon nanotubes in a reproducible way, as it allows easy control of operating parameters and demands low energy requirements, compared to other techniques, such as laser ablation or electric arc discharge.For the development of carbon nanostructures, the TC-CVD system of the Research Lab of Advanced, Composite, Nanomaterials and Nanotechnology (R-NanoLab) has been used. Two main routes of developing one-dimensional structures have been considered: the first one is the supported catalyst approach where acetylene is used as the carbon source, and catalysts based on transition metals and porous substrate are synthesised in house. The second route is the floating catalyst approach, in which both the precursor and the catalyst are mixed together and simultaneously introduced into the reactor chamber and as vapours.An extensive sustainability assessment of the aforementioned methods followed, which proves that the supported catalyst approach is more productive and more promising for upscaling. However, the floating catalyst approach may be preferable in special cases, such as the growth of carbon nanostructures on carbon fibres at a one-step process.The dissertation afterwards is focused on the increase of the productivity of the two methods, after modifying the existing CVD system. The main goal was to increase the catalytic surface, which is achieved either by proper placement of the catalyst or by testing different catalysts (for the supported catalyst approach). The carbon nanostructures produced by the tests were extensively characterized and then purified and chemically modified, in order to be used in the selected application.Finally, the results from the use of the produced nanostructures in a range of applications are presented. Specifically, carbon nanotubes and/or nanofibers are incorporated in polymer matrices, such as epoxy resins, and nanocomposites are prepared to test the mechanical and electrical properties. Carbon nanotubes are also tested to organic coatings for enhancement of their antifouling activity. Moreover, nanotubes and/or nanofibres are used in cement-based matrices for mechanical strengthening. Finally, the 1D nanostructures are tested in electronics, and specifically for the development of flexible supercapacitors, by using conductive carbon-based dispersions.Οι νανοδομές άνθρακα και συγκεκριμένα οι νανοσωλήνες ή/και νανοΐνες άνθρακα, αποτελούν σημαντικό υλικό της νανοτεχνολογίας ως κύριο παράδειγμα μονοδιάστασης νανοδομής. Η περαιτέρω ανάπτυξη της παρούσας τεχνολογίας, όπως και η χρήση των συγκεκριμένων νανοϋλικών σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών του κατασκευαστικού τομέα (οικοδομική, ναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, αεροναυπηγική, κτλ.) και όχι μόνο, εξαρτάται από τη διάθεση των υλικών αυτών σε ικανές ποσότητες και λογικό κόστος.Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη, τροποποίηση και χρήση των νανοσωλήνων ή/και νανοϊνών άνθρακα σε ένα φάσμα απαιτητικών εφαρμογών που βρίσκουν κυρίως χρήση στον κατασκευαστικό τομέα, αξιοποιώντας τις εξαιρετικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες, όπως η μηχανική αντοχή, η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, ακόμα και οι οπτικές τους ιδιότητες, οι οποίες προσφέρουν πολλές δυνατότητες για βιομηχανικές εφαρμογές.Τρεις βασικοί πυλώνες συνιστούν τη δομή της ερευνητικής εργασίας: η σύνθεση των νανοδομών άνθρακα, η κατάλληλη χημική τους τροποποίηση που επιλέγεται με κριτήριο την εφαρμογή, και τέλος η αποτίμηση των ιδιοτήτων του τελικού νανοσύνθετου υλικού. Τα τρία αυτά μέρη, συμπληρώνονται από τη θεώρηση της ανάλυσης κύκλου ζωής, καθώς τα ενισχυμένα υλικά συγκρίνονται με τα υπάρχοντα συμβατικά, ως προς την απόδοσή τους, τη λειτουργικότητά τους, αλλά και τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις κατά τη σύνθεση, χρήση και εφαρμογή τους. Για το λόγο αυτό, ερευνώνται παράλληλα και οι πιθανές επιπτώσεις των νανοδομών στην ανθρώπινη υγεία και τα οικοσυστήματα, μέσω μελετών τοξικότητας.Πρώτο μέλημα αποτελεί η σύνθεση των ινωδών νανοδομών άνθρακα με τον αποδοτικότερο τρόπο. Για το λόγο αυτό, επιλέγεται η τεχνική της θερμικής καταλυτικής χημικής εναπόθεσης ατμών (TC-CVD), η οποία εξασφαλίζει τη σύνθεση ικανών ποσοτήτων νανοδομών άνθρακα με αναπαραγωγισιμότητα, καθώς επιτρέπει τον εύκολο έλεγχο των συνθηκών και συνοδεύεται από μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις σε σχέση με άλλες ανταγωνιστικές της, όπως η εκκένωση ηλεκτρικού τόξου μεταξύ ηλεκτροδίων άνθρακα (arc-discharge), η εξάχνωση γραφίτη με χρήση λέιζερ (laser ablation) και η μετατροπή μονοξειδίου του άνθρακα υπό υψηλή πίεση (HiPCO).Για την ανάπτυξη των νανοδομών άνθρακα, αξιοποιείται το σύστημα CCVD της Εργαστηρίου Προηγμένων, Συνθέτων, Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας (R-NanoLab). Δύο κύριοι τρόποι ανάπτυξης των μονοδιάστατων δομών εξετάζονται: η σύνθεση μέσω υποστηριζόμενου καταλύτη, με πρόδρομη ένωση το ακετυλένιο και καταλύτη από μέταλλα μετάπτωσης, προσροφημένα σε πορώδη υλικά, και η σύνθεση μέσω αιωρούμενου καταλύτη, κατά την οποία, τόσο η πρόδρομη ένωση όσο και ο καταλύτης εισάγονται ταυτόχρονα, είτε αφού προαναμιχθούν σε στερεά ή υγρή φάση, είτε από διαφορετικά σημεία του αντιδραστήρα.Ακολουθεί μια εκτενής ανάλυση βιωσιμότητας για τις δύο αυτές μεθόδους, η οποία αποδεικνύει ότι η μέθοδος του υποστηριζόμενου καταλύτη είναι πιο παραγωγική και πιθανότατα πιο ελπιδοφόρα για τη μεταφορά της παραγωγής σε μεγαλύτερη κλίμακα. Παρ’ όλα αυτά η μέθοδος του αιωρούμενου καταλύτη, μπορεί να είναι προτιμητέα σε ιδιαίτερες περιπτώσεις, όπως η ανάπτυξη νανοσωλήνων σε ίνες άνθρακα σε διεργασία ενός σταδίου.Εν συνεχεία, αναφέρεται η μελέτη για την αύξηση της παραγωγικότητας των δυο μεθόδων, με το υπάρχον σύστημα ή/και με τροποποιήσεις αυτού. Βασικός στόχος είναι η αύξηση της καταλυτική επιφάνειας, το οποίο επιτυγχάνεται είτε με κατάλληλη τοποθέτηση του καταλύτη, στην περίπτωση που αυτός υποστηρίζεται, είτε με δοκιμή διαφορετικών καταλυτών. Οι νανοδομές άνθρακα που παράγονται από τις δοκιμές, χαρακτηρίζονται εκτενώς ως προς τη μορφολογία και τη δομή τους, και προχωρούν στα βήματα του καθαρισμού και της χημικής τροποποίησης, ώστε να χρησιμοποιηθούν στο επιλεγμένο υλικό, αναλόγως με την ποιότητά τους.Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη χρήση των παραγόμενων νανοδομών σε ένα εύρος εφαρμογών. Συγκεκριμένα, οι νανοσωλήνες ή/και νανοΐνες δοκιμάζονται αρχικά σε νανοσύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, όπως εποξειδικές ρητίνες και μελετώνται οι μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες αυτών. Στη συνέχεια, οι νανοσωλήνες άνθρακα δοκιμάζονται σε οργανικές επιστρώσεις, για την ενίσχυση της αντιβιοεπιστρωτικής τους δράσης. Μια επιπλέον εφαρμογή που εξετάζεται αφορά τη χρήση νανοσωλήνων ή/και νανοϊνών άνθρακα σε τσιμεντοκονιάματα για την αύξηση των μηχανικών τους αντοχών. Τέλος, οι μονοδιάστατες νανοδομές άνθρακα εξετάζονται σε εφαρμογές ηλεκτρονικής, υπό μορφή αγώγιμων διασπορών, με στόχο την ανάπτυξη υπερπυκνωτών σε εύκαμπτα υποστρώματα

Quality control for industrial and marine paints emphasized in viscosity

135 σ.Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι να παρουσιάσει την αναγκαιότητα ύπαρξης ποιοτικού ελέγχου στα βιομηχανικά και ναυτιλιακά χρώματα, ιδιαίτερα ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, όπως το ιξώδες. Το ιξώδες είναι μια από τις σημαντικότερες φυσικές ιδιότητες των χρωμάτων. Η κύρια παράμετρος που το επηρεάζει είναι η θερμοκρασία, μεταβάλλοντας τη ρεολογική συμπεριφορά του, κυρίως κατά την εφαρμογή, ενώ παράγοντες όπως ο χρόνος αποθήκευσης, η χρήση διαλυτών και η σύσταση / ποιότητα των χρησιμοποιούμενων ρητινών επηρεάζουν την τελική απόδοση των χρωμάτων. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιείται κυρίως ένα περιστροφικό ιξωδόμετρο τύπου Brookfield, μέσω του οποίου πραγματοποιείται πληθώρα δοκιμών ιξώδους. Ελέγχεται κατά κύριο λόγο η ψευδοπλαστικότητα των χρωμάτων, καθώς επίσης και η θιξοτροπία, ενώ συγκρίσεις πραγματοποιούνται ανάμεσα σε αλκυδικά χρώματα με διαφορετικό συνδετικό μέσο. Έμφαση δίνεται και στον έλεγχο των Α’ υλών και δη των ρητινών, καθώς αυτές αποτελούν το κύριο συστατικό των χρωμάτων. Έτσι, αποδεικνύεται ότι κάθε ρητίνη, ενώ προορίζεται για την ίδια χρήση και περιγράφεται από συγκεκριμένες προδιαγραφές, μπορεί να έχει τελείως διαφορετική ρεολογική συμπεριφορά, με αποτέλεσμα να επηρεάζει την τελική ποιότητα του χρώματος. Παράλληλα, πραγματώνεται μια σειρά τεστ ποιοτικού ελέγχου κατά τη διάρκεια της παραγωγής, ώστε να δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο προφίλ των προϊόντων και να καταγραφούν όλα τα χαρακτηριστικά που τα χρήζουν ποιοτικά και ανταγωνιστικά στην αγορά. Ελέγχεται η απόχρωση σύμφωνα με το πρότυπο RAL, η καλυπτικότητα σε διάφορα πάχη υγρού υμένα, μετράται το ειδικό βάρος πλήθους δειγμάτων και προσδιορίζεται ο χρόνος στεγνώματος υπό την επίδραση στεγνωτικών μέσων. Γίνεται τέλος δοκιμή επί ξηρής βάσης με στόχο να προσδιοριστούν ελαττώματα που προκύπτουν κατά την παραγωγή, αλλά δεν εντοπίζονται κατά τον ποιοτικό έλεγχο στα διάφορα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας.The purpose of this thesis is to present the quality control need for industrial and marine paints, especially concerning their physical properties, such as viscosity. Viscosity is one of the most important paint properties, because it is influenced by temperature, which affects paint’s behavior during application. Moreover, storage life, use of different solvents and chemical composition of resins, can affect paint’s quality. In this occasion, through a Brookfield type rotational viscometer, numerous quality control tests are carried out. Pseudoplasticity and thixotropy are mainly detected and alkyd paints with different binders are compared. Quality control of raw materials is emphasized and especially resin’s effect on paint’s viscosity is examined, since resin is the main substance of paints. Although, all resins are used for the same reason and have the same technical characteristics, it is proven that each resin presents different rheological behavior. For this reason, the quality of the final product it is affected. In addition, some quality control tests during production are performed, to examine all the other quality characteristics and define the complete profile of the paints' physical properties. Color appearance that is described by RAL standard and hiding power for different wet film thicknesses are checked for a specific paint. Moreover, special gravity is measured for a variety of samples. Finally, determination of set-to-touch drying and hard trying proves the efficiency of tackifying agents. Lastly, a problematic dry coating of chlorinated rubber paint on a metallic substrate is examined, to prove that production imperfections are observed while application, without being detected on production’s quality control. All these, offer flexibility and control ability in all stages of production. Paint products become better and more competitive, able to satisfy every costumer’s need.Αικατερίνη-Φλώρα Α. Τρομπέτ

Nanomaterials synthesis through CVD from polymer wastes

<p>Abstract submitted and presented as Poster in the Polymer Process and Innovation conference (PPI) held in Guimaraes on 13-15 of September 2023</p&gt

Novel CNTs grafting on carbon fibres through CVD: investigation of epoxy matrix/fibre interface via nanoindentation

Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRPs) have spread to a broad range of sectors including automobile, aeronautics and space industry the last decades. Recently, the emergence of new requirements for improved smart properties and functionalities have been main drivers to the introduction of novel methodologies and optimization of processes. A new approach of functionalizing CFs is the in-situ grafting of carbon nanotubes (CNTs) onto the surface of fibres, through chemical vapour deposition (CVD). In this study, CFRPs were manufactured via Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) and characterized by microscopy techniques through their cross-section. The effect of CNTs in-situ grafting onto the CFs on the mechanical behavior of the composite was studied both in micro- and macro-scale level, through instrumented indentation technique and tensile testing. The mechanical behaviour of the composite with the CNTs in-situ grafted onto the CFs was compared with CNTs-modified composites, containing CNTs in the epoxy matrix. Comparing the nanomechanical properties with conventional mechanical testing, the enhancement of mechanical behaviour was revealed for the case of the CNTs-modified composite. Additionally, an increased interfacial adhesion between the CNTs-functionalised CFs and the polymer matrix was observed, indicating that CNTs contribute to an enhanced bonding between matrix and CFs

Manufacturing nanomaterials: from research to industry

Manufacturing of nanomaterials is an interdisciplinary field covering physics, chemistry, biology, materials science and engineering. The interaction between scientists with different disciplines will undoubtedly lead to the production of novel materials with tailored properties. The success of nanomanufacturing depends on the strong cooperation between academia and industry in order to be informed about current needs and future challenges, to design products directly transferred into the industrial sector. It is of paramount importance the selection of the appropriate method combining synthesis of nanomaterials with required properties and limited impurities as well as scalability of the technique. Their industrial use faces many obstacles as there is no suitable regulatory framework and guidance on safety requirements; specific provisions have yet to be established in EU legislation. Moreover, regulations related to the right of intellectual properties as well as the absence of an appropriate framework for patent registration are issues delaying the process of products’ industrial application. The utilization of high-quality nanomaterials is now growing and coming to the industrial arena rendering them as the next generation attractive resources with promising applications. Undoubtedly, the existing gap between basic research relating nanomaterials and their application in real life will be overcome in the coming decade