Spatial inhomogeneity, interfaces and complex vitrification behavior of epoxy and corresponding nanocomposites by broadband dielectric spectroscopy and hyphenated calorimetry
| dc.contributor.advisor | Auhl, Dietmar | |
| dc.contributor.advisor | Schönhals, Andreas | |
| dc.contributor.author | Szymoniak, Paulina | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Auhl, Dietmar | |
| dc.contributor.referee | Schönhals, Andreas | |
| dc.date.accepted | 2020-12-18 | |
| dc.date.accessioned | 2021-12-17T17:24:55Z | |
| dc.date.available | 2021-12-17T17:24:55Z | |
| dc.date.issued | 2021 | |
| dc.description.abstract | Polymer nanocomposites (PNCs) with inorganic nanofillers dispersed in a polymer matrix have been widely studied from the 1990s, since the pioneering work by Toyota Central Research. The possibility of producing advanced tailor-made, light weight and low-cost materials, inspired academic and commercial research towards numerous potential applications, facilitating PNCs to become a billion-dollar global industry. The introduction of nanoparticles (NPs) to a polymer matrix is expected to result in improved properties. The outstanding performance of PNCs is determined not only by the characteristics of the used components but also by their phase morphology, including the dispersion of NPs and interfacial properties. Understanding of structure-property relationships is particularly important for polymer nanocomposites with high industrial significance, such as epoxy-based materials reinforced with inorganic nanofillers. These PNCs have been successfully adopted by the marine, automotive and aerospace industries, although they are still rarely studied on a fundamental level. Therefore, this thesis aims for a detailed understanding of the structure, molecular mobility and vitrification kinetics first, of two epoxy-based materials with different network structures and second, of the corresponding nanocomposites with different alumina-based nanofillers. The first system considered (EP/T-LDH) was based on bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA) cured with diethylenetriamine (DETA) and taurine-modified layered double hydroxide (T-LDH) NPs. The taurine molecule bears additional functionalities that could enhance the interactions between the matrix and the nanofiller, improving the interphase formation. The seconds system (EP/BNP) was based on DGEBA and methyl tetrahydrophtalic acid anhydride (MTHPA) as a hardener, reinforced with boehmite nanoparticles (BNPs). The comparison of the two systems enables for a comparative study on the effect of different hardeners and the morphology and modification of the alumina-based nanofillers on the material behavior. The materials were investigated employing complementary techniques with different sensitivities and frequency windows. The following methodology was used: transmission electron microscopy (TEM), small – and wide – angle X-ray scattering (SAXS/WAXS), broadband dielectric spectroscopy (BDS), calorimetry in a form of conventional DSC and fast scanning calorimetry (FSC), as well as specific heat spectroscopy (SHS) in a form of temperature modulated DSC, temperature modulated FSC and static FSC by calculating the thermal relaxation rates from the cooperativity approach. | en |
| dc.description.abstract | Polymer-Nanokomposite (PNCs) mit anorganischen Nanofüllstoffen, die in einer Polymermatrix dispergiert sind, werden seit der Pionierarbeit der Toyota-Zentralforschung in den 1990 Jahren, untersucht. Die Möglichkeit der Herstellung fortschrittlicher, maßgeschneiderter, leichtgewichtiger und kostengünstiger Materialien inspirierte die akademische und kommerzielle Forschung. Diese Materialien besitzen zahlreiche potenzielle Anwendungen und machen PNCs zu einem milliardenschweren globalen Markt. Die Einmischung von Nanopartikeln (NPs) in eine Polymermatrix führt zu verbesserten Eigenschaften des Kompositsystems im Vergleich zur ungefüllten Matrix. Die exzellenten Eigenschaften von PNCs werden nicht nur durch die Eigenschaften der verwendeten Komponenten bestimmt, sondern auch durch ihre Phasenmorphologie, einschließlich der Dispersion der NPs in der Matrix und der Grenzflächeneigenschaften der NPs. Ein Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist besonders wichtig für Polymer-Nanokomposite mit hoher industrieller Bedeutung, wie z.B. Materialien auf Epoxidbasis, die mit anorganischen Nanofüllstoffen verstärkt sind. Diese PNCs können erfolgreich von der Schiffs-, Automobil- als auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden, obwohl sie noch selten grundlegend untersucht werden. Daher zielt diese Arbeit auf ein detailliertes Verständnis der Struktur, der molekularen Beweglichkeit und der Kinetik des Glasübergangs erstens von zwei epoxidbasierten Materialien mit unterschiedlichen Netzwerkstrukturen und zweitens von den entsprechenden Nanokompositen mit unterschiedlichen aluminiumoxidbasierten Nanofüllstoffen ab. Das erste System (EP/T-LDH) basiert auf Bisphenol-A-Diglycidylether (DGEBA), welcher mit Diethylentriamin (DETA) vernetzt wird. Hier wird Taurin-modifiziertes Layered Double Hydroxide (T-LDH) als NP verwendet. Das Taurinmolekül hat zusätzliche Aminfunktionalitäten, die die Wechselwirkungen zwischen der Matrix und dem Nanofüllstoff verstärken und die Interphasenbildung verbessern können. Das zweite System (EP/BNP) basierte auf DGEBA und Methyltetrahydrophtalsäureanhydrid (MTHPA) als Vernetzer. Als Nanopartikel wird Böhmit (BNPs) verwendet. Ein Vergleich der beiden Systeme ermöglicht eine fundierte Studie über die Wirkung der verschiedenen Vernetzer, die Morphologie und Modifikation der Nanofüllstoffe auf das Materialverhalten. Die Materialien wurden mit komplementären Techniken, die unterschiedliche Empfindlichkeiten und Frequenzfenstern besitzen, untersucht. Die folgenden Methoden wurde angewandt: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Klein- und -weitwinkel-Röntgenstreuung (SAXS/WAXS), Breitbandige dielektrische Spektroskopie (BDS), Kalorimetrie (konventionelle DSC und Fast Scannig Kalorimetrie (FSC)), sowie spezifische Wärmespektroskopie (SHS) (temperaturmodulierte DSC, temperaturmodulierte FSC und statische FSC. Für die letztere Methode wurden die thermischen Relaxationsraten aus den Heizraten berechnet. | de |
| dc.description.sponsorship | DFG, 232311024, Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12888 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11689 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 530 Physik | de |
| dc.subject.other | polymer physics | en |
| dc.subject.other | nanocomposites | en |
| dc.subject.other | dielectric spectroscopy | en |
| dc.subject.other | calorimetry | en |
| dc.subject.other | Polymerphysik | de |
| dc.subject.other | Nanokomposite | de |
| dc.subject.other | dielektrische Spektroskopie | de |
| dc.subject.other | Kalorimetrie | de |
| dc.title | Spatial inhomogeneity, interfaces and complex vitrification behavior of epoxy and corresponding nanocomposites by broadband dielectric spectroscopy and hyphenated calorimetry | en |
| dc.title.translated | Räumliche Inhomogenität, Oberflächen und komplexes Verglasungsverhalten von Epoxidharzen und entsprechenden Nanokompositen mittels breitbandiger dielektrischer Spektroskopie und Hyphenated Kalorimetrie | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | domain | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |