Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/40385

TítuloNanocomposites: the contribution of multiscale modelling to improve the dispersion levels
Autor(es)Mould, Sacha Trevelyan
Orientador(es)Nóbrega, J. M.
Covas, J. A.
Data28-Fev-2014
Resumo(s)Polymer/layered silicate nanocomposites are a new class of materials that have raised much enthusiasm in scientiVc and technological domains due to their remarkable properties. However, tailoring their morphology and properties still remains a challenge. The present thesis combines experimental and theoretical approaches to further improve the knowledge available on the behavior of such materials. A new on-line rotational rheometer to monitor the compounding process at the lab and industrial scales was designed and assessed, with a view to practical process monitoring and control. On-line measurements were performed during nanocomposite production in order to establish relationships between material formulation and processing conditions. Namely, the aim is to determine whether changes in clay type, clay content and process parameters (e. g., feed rate and screw speed) cause detectable alterations in the rheological response and thus in the level of dispersion. The analysis of the data was supported by XRD and electron (scanning and transmission) microscopy observations. Secondly, multiscale simulations are undertaken based on coarse-graining methods, in order to capture the most relevant properties of bulk polymers and polymer nanocomposites. In the literature the amount of work dealing with coarse-graining simulations of polymers is inumerous, but little attention is given on how the magnitude of coarse-graining aUects the accuracy of the local and global behavior of polymer chains. At a mesoscopic scale, particles enclose an arbitrary number of monomers with dimensions beyond the Kuhn length. Consequently, the resolution of local subtleties (e. g., fastest mode relaxations) is deteriorated and the scaling laws predicted by theory are scarcely applicable. A comprehensive analysis about how the magnitude of coarse-graining aUects the equilibrium and non-equilibrium properties of linear polymer chains, at diUerent molecular weights, is given. The results were quantitatively compared with molecular dynamics simulations, theoretical models and available experimental data. The parameters for mesoscopic simulations were empirically obtained from all-atom molecular dynamics simulations, and a time-mapping protocol is used to accurately accommodate the systems dynamics to the correct time-scale. Additionally, non-equilibrium simulations are used with the aim of studying the adjustability of the mesoscopic friction coeXcient regarding the time-scale when steady and transient shear Wows are imposed. Finally, the procedure followed for the polymer/layered-silicate nanocomposite system allowed access to the large-scale morphology, providing a good starting point to further studies. Here, the eUective potentials governing the mesoscopic interactions are estimated invoking the Iterative Boltzmann Inversion protocol. While atomistic simulations provide a detailed understanding of the clay interlayer structure and accurate predictions of the basal distance, mesoscopic simulations provide the information necessary of the dispersion state of particles in the matrix.
Nanocompósitos à base de matrizes poliméricas e nanoargilas são novos materiais que, devido às suas excelentes propriedades, têm despertado bastante interesse tanto a nível cientíVco como tecnológico. Todavia, controlar a sua morfologia de forma a obter propriedades especíVcas constitui ainda um desa Vo. Esta tese pretende analisar, propor e testar metodologias experimentais e teóricas inovadoras que forneçam uma melhor compreensão sobre o seu comportamento. Um novo reómetro rotacional em linha para monitorizar o processo de mistura numa escala laboratorial e industrial foi projetado, implementado e validado, com o intuito prático de monitorizar e controlar o processo. Durante o processamento de nanocompósitos foram efetuadas medições em linha com a Vnalidade de se estabelecerem relações entre as formulações, as condições operatórias e a morfologia dos materiais obtidos. A inWuência do tipo e quantidade de nanoargila incorporada na matriz polimérica, assim como os principais parâmetros utilizados no processamento de nanocompósitos (débito e velocidade do parafuso da extrusora) no comportamento reológico e foi avaliada o grau de dispersão. A análise foi complementada com ensaios de difração de raios-X e microscopia electrónica de varrimento e transmissão. Numa segunda vertente, simulações multi-escala com base em métodos de coarse-graining foram realizadas de forma a determinar as propriedades mais relevantes de polímeros e nanocompósitos à base de matrizes poliméricas. Embora o volume de publicações presentes na literatura abordando o tema seja vasto, a exploração do conhecimento sobre o modo de como o nível de coarse-graining afeta a precisão do comportamento local e global das cadeias do polímero é ainda limitada. Na meso-escala, cada partícula representa um número arbitrário de monómeros que se extende a comprimentos superiores ao de Kuhn. Consequentemente, a resolução das sutilezas locais (como por exemplo, as relaxações dos modos de Rouse mais rápidos) é afetada e as leis previstas pela teoria são apenas parcialmente aplicáveis. Uma análise detalhada sobre o modo como a magnitude do coarse-graining afeta as propriedades de equilíbrio e não-equilíbrio considerando diferentes pesos moleculares foi realizada. Os resultados foram comparados quantitativamente com simulações de dinâmica molecular, modelos teóricos e dados experimentais disponíveis. Os parâmetros utilizados nas simulações mesoscópicas foram obtidos empiricamente através de simulações atomísticas, e o mapeamento do tempo através de um protocolo para acomodar a dinâmica do sistema à escala de tempo correta. Adicionalmente, simulações em não-equilíbrio foram realizadas com o objetivo de estudar a ajustabilidade do coeVciente de fricção mesoscópico relativamente à escala de tempo em situações de Wuxos estacionários e transientes. Finalmente, foi desenvolvido um procedimento multi-escala que permite avaliar o estado da morfologia de sistemas contendo nanocompósitos à base de matriz polimérica e nanoargila, tornando-se um ponto de partida para estudos mais detalhados. Os potenciais efetivos de interação foram obtidos através do algoritmo iterativo de inversão de Boltzmann. Enquanto que as simulações atomísticas proporcionaram um estudo detalhado da morfologia inter-lamelar e da distância basal, as simulações mesoscópicas forneceram informações essenciais sobre o estado de dispersão das nanopartículas na matriz polimérica.
TipoTese de doutoramento
DescriçãoTese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos
URIhttps://hdl.handle.net/1822/40385
AcessoAcesso aberto
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento
DEP - Teses de Doutoramento

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