Abstract 1
Abstract
In this research was prepared and evaluated a novel laminate in which a traditional Glass Fibre (GF) Mat reinforcement was used to improve the physical and mechanical behaviour of a Polypropylene (PP) nanocomposite (NCP), based upon organophilic layered silicates (NC) and Maleic Anhydride grafted PP (PPgMA) as compatibilizer.
The objectives of this investigation were:
• to provide a general concept for manufacturing first polymer nanocomposites by direct intercalation during conventional twin screw extrusion-compounding process, and then nanocomposite laminates by pressure moulding;
• to qualitatively and quantitatively estimate both the assessed level of particles dispersion and the influence of nano-fillers and of glass reinforcement on the material mechanical behaviour.
The PP based nanocomposite was analysed by burn-off test, differential scanning calorimetry and X-ray diffraction. Significant micrographs were taken by optical, scanning electron and focused ion beam microscopy both on nanocomposite samples and on laminates. The NCP mechanical behaviour was evaluated by dynamical mechanical thermal analysis (DMTA) and tensile testing.
The latter was used to estimate the mechanical properties of the final laminate as well.
Three times hybrid
The final material can be considered three times ‘hybrid’: halfway organic and inorganic, halfway conventional composite and exfoliated, halfway laminated and nanocomposite material.
However, to avoid misunderstanding, it is worth noting that, in this work, ‘hybrid’
is intended as the laminate matrix (i.e. PP-NC-PPgMA composite), like in the
greatest part of the literature on this topic.
Abstract 2
Thesis background
This thesis describes the work which was carried out between September 2002 and March 2003 at Cranfield University (Bedfordshire, UK) as a part of a two year project named MACRO: Microwave Antenna Cost Reduction Opportunity.
In the same work programme the Queen’s University of Belfast (Electrical and Electronics Dept.) and a consortium of telecommunication industrial companies were involved.
The aim of the project was to find and study a suitable low-cost substrate intended to substitute a very expensive planar microwave antenna for mobile communications currently manufactured in PTFE.
According to the preliminary research on the electrical behaviour of some polymers, the best candidate seemed to be polypropylene.
The goal of this thesis was to find an appropriate processing route in order to enhance polypropylene mechanical performance via nano-clay addiction and glass fibre mat insertion.
These were supposed to be the best reinforcing media capable of guaranteeing
the fundamental homogeneity on a micron scale demanded to the final material
and to improve polypropylene flame retardancy as well. Besides such a sandwich
structure was shown to satisfy the critical conditions demanded in terms of
electrical properties, indeed a scientific journal publication on this issue has been
already submitted to the ‘Transactions of The Institute of Electrical and Electronic
Engineering’ (IEEE) in December 2003 1 .
Abstract 3
Nel presente lavoro sono stati affrontati la preparazione e lo studio di un nuovo laminato costituito da polipropilene (PP) nanocomposito (NCP) rinforzato da una stuoia in fibra di vetro (GF).
La matrice del laminato è stata preparata attraverso la dispersione nel polipropilene di allumino-silicati a struttura stratificata chimicamente modificati in modo da essere resi compatibili con la matrice organica (nano-argille, NC). Per incrementare ulteriormente le interazioni poliolefina-nanofiller e poliolefina-fibra di vetro, è stato usato polipropilene aggraffato con anidride maleica (PPgMA) come compatilizzatore.
Gli obiettivi del presente studio sono stati:
• fornire una panoramica generale riguardante i problemi relativi alla produzione in primo luogo del nanocomposito polimerico, attraverso un inserimento diretto delle nano-argille durante il processo convenzionale di estrusione-miscelamento, ed in secondo luogo dei laminati con fibra di vetro a base dello stesso nanocomposito, attraverso formatura in pressa a caldo;
• valutare quantitativamente e qualitativamente sia il livello raggiunto di dispersione del particolato nella matrice, sia l’influenza dei nano-fillers e del rinforzo in fibra di vetro sul comportamento meccanico del materiale.
Il nanocomposito a base di PP è stato analizzato attraverso burn-off test, calorimetria a scansione differenziale e diffrazione ai raggi X. Inoltre sono state ottenute delle micrografie significative sia su campioni di nanocomposito, sia sui laminati, attraverso tecniche di microscopia ottica, a scansione elettronica e
‘focused ion beam’. Il comportamento meccanico del prodotto ottenuto è stato infine valutato attraverso DMTA e prove di trazione. Queste ultime sono state eseguite anche sul laminato finale.
Tre volte ibrido
Il prodotto finale può essere considerato tre volte ibrido: a metà strada tra un materiale organico ed uno inorganico, a metà strada tra un composito convenzionale ed uno a dispersione esfoliata, a metà strada tra un laminato ed un nanocomposito.
Tuttavia, per evitare equivoci, è opportuno sottolineare che, nel presente lavoro, si ci riferirà col nome di ‘ibrido’ alla sola matrice del laminato (cioè al composito PP-NC-PPgMA), seguendo una prassi già adottata nella maggior parte della letteratura sull’argomento.
Le ragioni di questa tesi
Questa tesi descrive il lavoro che è stato realizzato tra il Settembre 2002 ed il
Marzo 2003 nell’Università di Cranfield (Bedfordshire, Inghilterra) quale parte di
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un più ampio progetto della durata di due anni chiamato MACRO (Microwave Antenna Cost Reduction Opportunity) in cui lo stesso istituto era coinvolto.
Anche la Queen’s University di Belfast (Dipartimento di Elettrica ed Elettronica) ha preso parte allo stesso programma insieme ad un consorzio di compagnie private impegnate nell’ambito dell’industria delle telecomunicazioni.
Lo scopo del progetto è stato quello di trovare e studiare un appropriato substrato a basso costo che potesse essere utilizzato per sostituire quello più caro attualmente in uso (politetrafluoroetilene) nella realizzazione di antenne piane a microonde per la comunicazione mobile.
Il polipropilene era già stato giudicato come il miglior candidato tra una più vasta gamma di polimeri attraverso l’analisi, precedente all’inizio di questo lavoro, del loro comportamento elettrico.
L’obiettivo di questa tesi è stato, dunque, quello di trovare un appropriato iter produttivo al fine di migliorare le caratteristiche meccaniche del polipropilene attraverso l’addizione di nano-argille e l’inserzione di una stuoia di vetro. La scelta di questi mezzi di rinforzo è stata dettata dall’assunzione che fossero quelli in grado di rinforzare meglio il materiale riuscendo a garantire, allo stesso tempo, sia un’omogeneità su scala micronica (caratteristica indispensabile richiesta al prodotto finale) sia un miglioramento della resistenza alla fiamma del polipropilene. Infine la struttura a sandwich adottata ha dimostrato di soddisfare le condizioni critiche richieste al materiale in termini di proprietà elettriche, non a caso un articolo su quest’argomento è già in via di pubblicazione su
‘Transactions of The Institute of Electrical and Electronic Engineering’ (IEEE) nel Dicembre 2003 1 .
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