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https://hdl.handle.net/1822/40385
Título: | Nanocomposites: the contribution of multiscale modelling to improve the dispersion levels |
Autor(es): | Mould, Sacha Trevelyan |
Orientador(es): | Nóbrega, J. M. Covas, J. A. |
Data: | 28-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. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/40385 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | DEP - Teses de Doutoramento |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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SachaMould_PhD_2013.pdf | 26,44 MB | Adobe PDF | Ver/Abrir |