Microwave exfoliated reduced graphene oxide epoxy nanocomposites for high performance applications

Graphene has captured the attention of scientific community due to recently emerging high performance applications. Hence, studying its reinforcing effects on epoxy resin is a significant step. In this study, microwave exfoliated reduced graphene oxide (MERGO) was prepared from natural graphite for subsequent fabrication of epoxy nanocomposites using triethylenetetramine (TETA) as a curing agent via insitu polymerization. Thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), C13 NMR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultravioletevisible (UVevis) spectroscopy were employed to confirm the simultaneous reduction and exfoliation of graphene oxide. The reinforcing effect of MERGO on epoxy resin was explored by investigating its static mechanical properties and dynamic mechanical analysis (DMA) at MERGO loadings of 0 to 0.5 phr. The micro-structure of epoxy/MERGO nanocomposites was investigated using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and XRD techniques. The present work reports an enhancement of 32%, 103% and 85% in tensile, impact and flexural strength respectively of epoxy by the addition of even 0.25 phr MERGO. At this loading elastic and flexural moduli also increased by 10% and 65%, respectively. Single-edge-notch three-point-Bending (SEN-TPB) fracture toughness (KIC) measurements were carried out where a 63% increase was observed by the introduction of 0.25 phr MERGO. The interfacial interactions brought about by graphene also benefited the dynamic mechanical properties to a large extent in the form of a significant enhancement in storage modulus and slightly improved glass transition temperature. Considerable improvements were also detected in dielectric properties. The epoxy nanocomposite also attained an ac conductivity of 10 5 S/m and a remarkable increase in dielectric constant. The simple and cost effective way of graphene synthesis for the fabrication of epoxy/MERGO nanocomposites may be extended to the preparation of other MERGO based polymer nanocomposites. This remarkable class of materials has thrown open enormous opportunities for developing conductive adhesives and in microelectronics

Spray pyrolysed In2S3 thin films: A potential electron selective layer for large area inverted bulk-heterojunction polymer solar cells

In this paper, we report the results of investigations on the potential of spray pyrolysis technique in depositing electron selective layer over larger area for the fabrication of inverted bulk-heterojunction polymer solar cells. The electron selective layer (In2S3) was deposited using spray pyrolysis technique and the linear heterojunction device thus fabricated exhibited good uniformity in photovoltaic properties throughout the area of the device. An MEH-PPV:PCBM inverted bulk-heterojunction device with In2S3 electron selective layer (active area of 3.25 3.25 cm2) was also fabricated and tested under indoor and outdoor conditions. Fromthe indoor measurements employing a tungsten halogen lamp (50mW/cm2 illumination), an opencircuit voltage of 0.41V and a short-circuit current of 5.6mA were obtained. On the other hand, the outdoor measurements under direct sunlight (74mW/cm2) yielded an open-circuit voltage of 0.46V and a short-circuit current of 9.37mA

Butyl rubber- ceramic composites for flexible electronic applications

The first chapter of the thesis gives a general introduction about flexible electronics, dielectrics and composites. The recent developments in flexible electronics also discussed in this chapter. The preparation and characterization techniques used for the butyl rubber ceramic composites are given in chapter 2. The synthesis and characterization of butyl rubber filled with low permittivity ceramic composites are described in chapter 3. The chapter 4 deals with the synthesis and characterization of butyl rubber-high permittivity ceramic composites. The effect of high permittivity ceramic fillers such as TiO2, Sr2Ce2Ti5O15 and SrTiO3 on dielectric, thermal and mechanical properties was studied. The present investigation deals with synthesis, characterization and properties of butyl rubber composites with low, high and very high ceramic fillers and also the effect of particle size on dielectric, thermal and mechanical properties of selected composites.

Studies on the use of Nanokaolin, MWCNT and Graphene in NBR and SBR

The current research investigates the possibility of using unmodified and modified nanokaolin, multiwalled carbon nanotube (MWCNT) and graphene as fillers to impart enhancement in mechanical, thermal, and electrical properties to the elastomers. Taking advantage of latex blending method, nanoclay, MWCNT and graphene dispersions, prepared by ultra sound sonication are dispersed in polymer latices. The improvement in material properties indicated better interaction between filler and the polymer.MWCNT and graphene imparted electrical conductivity with simultaneous improvement in mechanical properties. Layered silicates prepared by microwave method also significantly improve the mechanical properties of the nanocomposites. The thesis entitled ‘Studies on the use of Nanokaolin, MWCNT and Graphene in NBR and SBR’ consists of ten chapters. The first chapter is a concise introduction of nanocomposites, nanofillers, elastomeric matrices and applications of polymer nanocomposites. The state-of-art research in elastomer based nanocomposites is also presented. At the end of this chapter the main objectives of the work are mentioned. Chapter 2 outlines the specifications of various materials used, details of experimental techniques employed for preparing and characterizing nanocomposites. Chapter3 includes characterization of the nanofillers, optimsation of cure time of latex based composites and the methods used for the preparation of latex based and dry rubber based nanocomposites. Chapter4 presents the reinforcing effect of the nanofillers in XNBR latex and the characterization of the nanocomposites. Chapter5 comprises the effect of nanofillers on the properties of SBR latex and their characterization Chapter 6 deals with the study of cure characteristics, mechanical and thermal properties and the characterization of NBR based nanocomposites. Chapter7 is the microwave studies of MWCNT and graphene filled elastomeric nanocomposites. Chapter 8 gives details of the preparation of layered silicates, their characterization and use in different elastomeric matrices. Chapter 9 is the study of mechanical properties of nanoclay incorporated nitrile gloves .Chapter 10 presents the summary and conclusions of the investigation.

Modification of Polypropylene/High Density Polyethylene Blend Using Nanokaolinite Clay and E-Glass Fibre: Preparation, Characterization and Micromechanical Modelling

Upgrading two widely used standard plastics, polypropylene (PP) and high density polyethylene (HDPE), and generating a variety of useful engineering materials based on these blends have been the main objective of this study. Upgradation was effected by using nanomodifiers and/or fibrous modifiers. PP and HDPE were selected for modification due to their attractive inherent properties and wide spectrum of use. Blending is the engineered method of producing new materials with tailor made properties. It has the advantages of both the materials. PP has high tensile and flexural strength and the HDPE acts as an impact modifier in the resultant blend. Hence an optimized blend of PP and HDPE was selected as the matrix material for upgradation. Nanokaolinite clay and E-glass fibre were chosen for modifying PP/HDPE blend. As the first stage of the work, the mechanical, thermal, morphological, rheological, dynamic mechanical and crystallization characteristics of the polymer nanocomposites prepared with PP/HDPE blend and different surface modified nanokaolinite clay were analyzed. As the second stage of the work, the effect of simultaneous inclusion of nanokaolinite clay (both N100A and N100) and short glass fibres are investigated. The presence of nanofiller has increased the properties of hybrid composites to a greater extent than micro composites. As the last stage, micromechanical modeling of both nano and hybrid A composite is carried out to analyze the behavior of the composite under load bearing conditions. These theoretical analyses indicate that the polymer-nanoclay interfacial characteristics partially converge to a state of perfect interfacial bonding (Takayanagi model) with an iso-stress (Reuss IROM) response. In the case of hybrid composites the experimental data follows the trend of Halpin-Tsai model. This implies that matrix and filler experience varying amount of strain and interfacial adhesion between filler and matrix and also between the two fillers which play a vital role in determining the modulus of the hybrid composites.A significant observation from this study is that the requirement of higher fibre loading for efficient reinforcement of polymers can be substantially reduced by the presence of nanofiller together with much lower fibre content in the composite. Hybrid composites with both nanokaolinite clay and micron sized E-glass fibre as reinforcements in PP/HDPE matrix will generate a novel class of high performance, cost effective engineering material.

Apatite-Polymer Composite Particles for Controlled Delivery of BMP-2: In Vitro Release and Cellular Response

Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) has the ability to induce osteoblast differentiation of undifferentiated cells, resulting in the healing of skeletal defects when delivered with a suitable carrier. We have applied a versatile delivery platform comprising a novel composite of two biomaterials with proven track records – apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – to the delivery of BMP-2. Sustained release of this growth factor was tuned with variables that affect polymer degradation and/or apatite dissolution, such as polymer molecular weight, polymer composition, apatite loading, and apatite particle size. The effect of released BMP-2 on C3H10T1/2 murine pluripotent mesenchymal cells was assessed by tracking the expression of osteoblastic makers, alkaline phosphatase (ALP) and osteocalcin. Release media collected over 100 days induced elevated ALP activity in C3H10T1/2 cells. The expression of osteocalcin was also upregulated significantly. These results demonstrated the potential of apatite-PLGA composite particles for releasing protein in bioactive form over extended periods of time.

Aprovechamiento integral del Cannabis sativa como material de refuerzo/carga del polipropileno

En este trabajo se ha estudiado el potencial tanto los filamentos de cáñamo como de la cañamiza como refuerzo/carga del polipropileno. La modificación de estos materiales se realiza para lograr una mayor compatibilidad con la matriz polimérica. Se evaluaron las propiedades mecánicas de las resistencias a tracción e impacto, de los materiales compuestos reforzados tanto de filamento como de cañamiza. Los filamentos de cáñamo poseen suficiente capacidad de refuerzo en los materiales compuestos basado en polipropileno debido a sus propiedades intrínsecas, siendo una buena alternativa como material de refuerzo. Así, la adición de MAPP (polipropileno modificado con anhídrido maleico) conduce a materiales compuestos con unas resistencias a tracción de hasta el 70% de las que se obtienen con compuestos de PP reforzados con fibra de vidrio. Mientras que la cañamiza ha actuado como una carga en la matriz, incrementado significativamente la rigidez de los materiales compuestos.

Modificació de fibres de jute per l'elaboració de plàstics reforçats reciclables

El treball que s'ha dut a terme es centra en la recerca d'agents modificants per a fibres cel·lulòsiques capaços de reduir la polaritat de les funcions alcohol de la seva estructura per formació de funcions ester. Les fibres de jute se sotmeten a reacció en un sistema tancat provist d'atmòsfera de nitrogen a fi d'evitar reaccions laterals que no són del nostre interés.L'obtenció dels resultats perseguits està lligat a les condicions experimentals aplicades durant les reaccions. La influència de les diferents variables escollides facilitarà en major o menor grau la reacció entre les molècules d'agent d'acoblament i cel·lulosa vinculades. Una gran part de l'atenció es centrarà en l'estudi de l'etapa de modificació, sobretot en l'efectivitat dels reactius addicionats per la reacció amb els grups hidroxil. Un cop comparats els experiments realitzats tant amb clorur d'oleïl com amb anhídrid metacrílic, es conclou que la majoria de condicions provades permeten assolir valors de modificació prou significatius. L'excepció ve donada quan la temperatura utilitzada és de 20ºC, llavors les mateixes condicions que a una temperatura de 60ºC condueixen cap a resultats poc satisfactoris. La reactivitat per part dels dos agents d'acoblament utilitzats no ha estat la mateixa. Els resultats per condicions experimentals del mateix tipus han conduït cap a valors força diferents. Pel que fa a la determinació dels paràmetres òptims es conclou que les variables amb les que el grau de modificació millora considerablement són: una temperatura de 60ºC, 10% de catalitzador respecte la quantitat de clorur d'oleïl o anhídrid addicionada, relació OH reactiu estequiomètrica 1:1 i 40mL de solvent. Un cop modificada la fibra, se sotmet a reacció amb el monòmer estirè. Es comprova que el grau de polimerització segueix el valor de modificació prèviament obtingut, a menor quantitat de funcions alcohol lliures major interacció amb el monòmer estirè. Les propietats inicials de la fibra no es corresponen amb les obtingudes després del tractament, l'increment de la resistència a l'atac de microorganismes i a l'absorció d'humitat s'explica per una reducció de la presència de funcions alcohol polars i per la capa d'estirè polimeritzat per unió amb els dobles enllaços introduïts amb els agents d'acoblament. Pel que fa referència a les dues tècniques de caracterització més utilitzades, l'anàlisis elemental permet quantificar d'una manera precisa la reacció de la fibra amb els agents d'acoblament i la posterior reacció de la fibra modificada amb el monòmer estirè. La caracterització per espectroscopia d'infraroig permet comprovar qualitativament la reactivitat del clorur d'oleïl i qualitativament-quantitativament la de l'anhídrid metacrílic amb les funcions alcohol de la cel·lulosa present en les fibres de jute. Els pics més característics apareguts seran utilitzats per avaluar la reactivitat de la funció carbonílica del reactiu modificant amb l'estructura cel·lulòsica i del doble enllaç de la cel·lulosa modificada amb la matriu polimèrica.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.