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Authors
Abstract(s)
The introduction of nanofillers into epoxy resins is one of the numerous ways of reinforcing
polymers. In accordance, this dissertation explores the synthesis, characterization, and
performance optimization of epoxy-graphitic carbon nitride (GCN) nanocomposites, focusing on
enhancing their mechanical and thermal properties. So, the research involves the preparation of
epoxy-based nanocomposites through the incorporation of different concentrations of GCN
nanoparticles into the epoxy resin, using common processing techniques, and subsequent
analysis of their structural characteristics and properties. Besides that, this work aims to
understand the influence of GCN loading and Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS)
particles on the nanocomposite's mechanical strength and thermal stability, aiming at
aeronautical and aerospatial applications.
The experimental results indicate that the most enhanced mechanical properties were observed
for the nanocomposite reinforced with a concentration of 0.25 wt.% GCN. Consequently, this
concentration was selected for the carbon fibre laminates, concluding that the addition of GCN
resulted in an improvement of up to 81% in flexural strength (from 369.8 to 670 MPa) and up to
135% in flexural modulus (from 25.2 to 59.3 GPa), depending on the testing speeds. Increases of
25% in tensile strength (from 408.3 to 509.6 MPa) and 39% in elastic modulus (from 20.3 to 28.1
GPa) were also observed.
As mentioned, the document also examines the influence of adding POSS particles to the carbon
fibre laminates reinforced with GCN. Comparing the properties attained for the control sample
with the ones obtained for the reinforced samples, it is possible to conclude that the incorporation
of both nano reinforcements allows for improvements between up to 111% in flexural strength
(from 369.8 to 781.2 MPa) and up to 117% in flexural modulus (from 25.2 to 54.7 GPa), for
different testing speeds. In terms of tensile strength and elastic modulus, the increases were 30%
(from 408.3 to 529.9 MPa) and 12% (from 20.3 to 22.7 GPa), respectively.
The thermal properties of the laminates were also examined, through thermogravimetric analysis
(TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). It was found that the addition of nano
reinforcements did not result in significant improvements in the glass transition and
decomposition temperatures, although an improvement in the residual mass was observed in the
laminates reinforced only with GCN.
Finally, the hydrophobic properties of the two compositions and the control sample were
evaluated, using water contact angle analysis (WCA). It was concluded that the presence of the reinforcements positively impacts these properties, with a more pronounced improvement in the
sample reinforced only with GCN (from 73.6 to 82.5º).
A introdução de nanopartículas em resinas epóxi é uma das várias maneiras de reforçar polímeros. Assim, esta dissertação explora a síntese, caracterização e otimização do desempenho de nanocompósitos de epóxi-nitreto de carbono grafítico (GCN), com foco na melhoria das propriedades mecânicas e térmicas. A pesquisa envolve a preparação de nanocompósitos à base de epóxi através da incorporação de diferentes concentrações de nanopartículas de GCN na resina epóxi, utilizando técnicas de manufaturas comuns, e a subsequente análise das suas características estruturais e propriedades. Além disso, este trabalho visa entender a influência da carga de GCN e das partículas de Silsesquioxano Oligomérico Poliédrico (POSS) na resistência mecânica e estabilidade térmica do nanocompósito, visando aplicações aeronáuticas e aeroespaciais. Os resultados experimentais indicam que as propriedades mecânicas com melhorias mais acentuadas foram observadas para o nanocompósito reforçado com uma concentração de 0.25 wt.% de GCN. Consequentemente, esta concentração foi a selecionada para os laminados de fibra de carbono, concluindo que a adição de GCN resultou em melhorias de até 81% na resistência à flexão (de 369.8 para 670 MPa) e até 135% no módulo de flexão (de 25.2 para 59.3 GPa), dependendo das velocidades de teste. Além disso, foram observados aumentos de 25% na resistência à tração (de 408.3 para 509.6 MPa) e 39% no módulo elástico (de 20.3 para 28.1 GPa). Como mencionado, o documento apresenta a influência da adição de partículas de POSS aos laminados de fibra de carbono reforçados com GCN. Comparando as propriedades obtidas para a amostra de controlo com as obtidas para as amostras reforçadas, é possível concluir que a incorporação de ambos os nano reforços permite melhorias de até 111% na resistência à flexão (de 369.8 para 781.2 MPa) e até 117% no módulo de flexão (de 25.2 para 54.7 GPa), para diferentes velocidades de teste. Em termos de resistência à tração e módulo elástico, os aumentos foram de 30% (de 408.3 para 529.9 MPa) e 12% (de 20.3 para 22.7 GPa), respectivamente. As propriedades térmicas dos laminados também foram examinadas, através de análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC). Verificou-se que a adição de nano reforços não resultou em melhorias nas temperaturas de transição vítrea e decomposição, embora uma melhoria na massa residual tenha sido observada nos laminados reforçados apenas com GCN. Finalmente, as propriedades hidrofóbicas das duas composições e da amostra de controlo foram avaliadas, recorrendo à análise do ângulo de contato com a água (WCA). Concluiu-se que a presença dos reforços impacta positivamente estas propriedades, com uma melhoria mais pronunciada na amostra reforçada apenas com GCN (de 73.6 para 82.5º).
A introdução de nanopartículas em resinas epóxi é uma das várias maneiras de reforçar polímeros. Assim, esta dissertação explora a síntese, caracterização e otimização do desempenho de nanocompósitos de epóxi-nitreto de carbono grafítico (GCN), com foco na melhoria das propriedades mecânicas e térmicas. A pesquisa envolve a preparação de nanocompósitos à base de epóxi através da incorporação de diferentes concentrações de nanopartículas de GCN na resina epóxi, utilizando técnicas de manufaturas comuns, e a subsequente análise das suas características estruturais e propriedades. Além disso, este trabalho visa entender a influência da carga de GCN e das partículas de Silsesquioxano Oligomérico Poliédrico (POSS) na resistência mecânica e estabilidade térmica do nanocompósito, visando aplicações aeronáuticas e aeroespaciais. Os resultados experimentais indicam que as propriedades mecânicas com melhorias mais acentuadas foram observadas para o nanocompósito reforçado com uma concentração de 0.25 wt.% de GCN. Consequentemente, esta concentração foi a selecionada para os laminados de fibra de carbono, concluindo que a adição de GCN resultou em melhorias de até 81% na resistência à flexão (de 369.8 para 670 MPa) e até 135% no módulo de flexão (de 25.2 para 59.3 GPa), dependendo das velocidades de teste. Além disso, foram observados aumentos de 25% na resistência à tração (de 408.3 para 509.6 MPa) e 39% no módulo elástico (de 20.3 para 28.1 GPa). Como mencionado, o documento apresenta a influência da adição de partículas de POSS aos laminados de fibra de carbono reforçados com GCN. Comparando as propriedades obtidas para a amostra de controlo com as obtidas para as amostras reforçadas, é possível concluir que a incorporação de ambos os nano reforços permite melhorias de até 111% na resistência à flexão (de 369.8 para 781.2 MPa) e até 117% no módulo de flexão (de 25.2 para 54.7 GPa), para diferentes velocidades de teste. Em termos de resistência à tração e módulo elástico, os aumentos foram de 30% (de 408.3 para 529.9 MPa) e 12% (de 20.3 para 22.7 GPa), respectivamente. As propriedades térmicas dos laminados também foram examinadas, através de análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC). Verificou-se que a adição de nano reforços não resultou em melhorias nas temperaturas de transição vítrea e decomposição, embora uma melhoria na massa residual tenha sido observada nos laminados reforçados apenas com GCN. Finalmente, as propriedades hidrofóbicas das duas composições e da amostra de controlo foram avaliadas, recorrendo à análise do ângulo de contato com a água (WCA). Concluiu-se que a presença dos reforços impacta positivamente estas propriedades, com uma melhoria mais pronunciada na amostra reforçada apenas com GCN (de 73.6 para 82.5º).
Description
Keywords
Silsesquioxano Oligomérico Poliédrico Aplicações Aeronáuticas Époxi Fibra de Carbono Nanocompósitos de Alta Performance Nitreto de Carbono Grafitico