Polyamide 1010 and 2D nanomaterials-based hybrid multifunctional nanocomposites
| dc.contributor.advisor | Fechine, Guilhermino José Macêdo | |
| dc.contributor.author | Pinto, Gabriel Matheus | |
| dc.date.accessioned | 2025-01-23T12:56:41Z | |
| dc.date.available | 2025-01-23T12:56:41Z | |
| dc.date.issued | 2024-11-06 | |
| dc.description.abstract | This PhD thesis focuses on the development of polymer nanocomposites using a bio-sourced polyamide 1010 (PA 1010) matrix and various two-dimensional (2D) nanomaterials. PA 1010 was chosen for its diverse application potential across multiple domains and its environmentally friendly character compared to traditional polyamides. The selected nanofillers - graphene oxide (GO), hexagonal-boron nitride (h-BN), and molybdenum disulfide (MoS2) - were chosen for their chemical compatibility with the polyamide's amide groups and their 2D structures, which leads to their high surface area and exceptional properties. However, a key challenge in utilizing 2D nanofillers is achieving proper dispersion within the polymer matrix. Therefore, this thesis proposes a novel approach of combining different 2D fillers within a single composite to enhance mutual dispersion and promote synergistic effects. The nanocomposites were produced through melt blending in a twin-screw extruder. First, low amounts (0.1, 0.3, or 0.5 wt%) of the previously exfoliated nanofillers were deposited on the ground polymer particles by a technique called solid-solid deposition. Then, this powder mixture was fed to the extruder to properly mix the polymer matrix with the nanofillers in the melt, thus forming a homogeneous mixture. This process significantly facilitates scalability, as it is compatible with existing industrial polymer processing infrastructure, enabling its integration into current production lines and paving the way for commercial applications. Molecular dynamics investigations were conducted to elucidate the interactions between the nanofillers and the polyamide matrix, focusing on the polymer relaxation process at the glass transition, the volume of chains involved in the Brill transition during melting, and the energy required to separate polymer chains from the nanosheets. The results indicated that GO and h BN exhibit stronger interactions with the polymer matrix compared to MoS2, which is also reflected in the performance of their respective hybrid composites. The microstructure of the polymer matrix, a critical factor influencing the properties of polymer-based materials, was examined through microstructural analyses. These analyses revealed that the addition of the nanofillers affected the polymer matrix’s semi-crystalline order. Although the phase transition from α to γ was not observed in the Polyamide crystals, h-BN and MoS2 were found to decrease both the polymer’s overall crystalline fraction and the organization of its crystalline domains. On the contrary, GO did not significantly affect the polymer microstructure. However, with its larger sheets and strong chemical affinity, GO led to the greatest enhancement in tensile toughness at room temperature (over 120% at 0.5 wt%). Interestingly, this enhancement was not observed at low temperatures (-40 °C), where the decreased microstructural order was the predominant reason for the toughening of PA 1010, with only h-BN composites retaining some of the original toughening characteristics. Finally, to demonstrate the multifunctionality of the developed nanocomposites, it has been demonstrated that incorporating low amounts (less than 0.5 wt%) of these 2D nanofillers allowed the nanocomposites to retain the original dielectric and tribological properties of PA 1010 while enhancing thermal conductivity by nearly 10%. These findings underscore the potential of these nanomaterials as low-content additives for advanced applications, where achieving specific properties without compromising others presents a significant challenge. | |
| dc.description.sponsorship | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível | |
| dc.description.sponsorship | FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo | |
| dc.identifier.uri | https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/39893 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.language.iso | fr | |
| dc.publisher | Universidade Presbiteriana Mackenzie | |
| dc.subject | polymer nanocomposites | |
| dc.subject | polyamide 1010 | |
| dc.subject | graphene oxide | |
| dc.subject | hexagonal-boron nitride | |
| dc.subject | molybdenum disulfide | |
| dc.subject | multifunctional properties | |
| dc.title | Polyamide 1010 and 2D nanomaterials-based hybrid multifunctional nanocomposites | |
| dc.type | Tese | |
| local.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/8109533360196619 | |
| local.contributor.advisorOrcid | https://orcid.org/0000-0002-5520-8488 | |
| local.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/3914677381513747 | |
| local.contributor.board1 | Ribeiro, Hélio | |
| local.contributor.board1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0766240077339002 | |
| local.contributor.board2 | Andrade, Ricardo Jorge Espanhol | |
| local.contributor.board2Lattes | http://lattes.cnpq.br/2704277390841473 | |
| local.contributor.board2Orcid | https://orcid.org/0000-0002-6902-8269 | |
| local.contributor.board3 | Helal, Emna | |
| local.contributor.board4 | Lee, Patrick | |
| local.contributor.coadvisor | Demarquette, Nicole Raymonde | |
| local.contributor.coadvisorLattes | http://lattes.cnpq.br/5646835909398399 | |
| local.description.abstracten | Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement de nanocomposites polymères en utilisant une matrice de polyamide 1010 (PA 1010) biosourcée et de divers nanomatériaux bidimensionnels (2D). Pa 1010 a été choisi pour son potentiel d'application diversifié dans plusieurs domaines et son caractère respectueux de l'environnement par rapport aux polyamides traditionnels. Les charges nanométriques sélectionnés - l'oxyde de graphène (GO), le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et le disulfure de molybdène (MoS2) - ont été choisis pour leur compatibilité chimique avec les groupes amide du polyamide et leurs structures 2D, ce qui conduit à leur surface élevée et à leurs propriétés exceptionnelles. Cependant, un défi clé dans l'utilisation de charges nanométriques 2D est d'obtenir une dispersion appropriée dans la matrice polymère. Par conséquent, cette thèse propose la nouvelle approche de combiner différentes particules 2D dans un seul composite pour améliorer la dispersion mutuelle et promouvoir des effets synergiques. Les nanocomposites ont été produits par fusion dans une extrudeuse double vis. Tout d'abord, de faibles quantités (0,1, 0,3 ou 0,5 % en poids) des nanoparticules exfoliées précédemment ont été déposées sur les particules de polymère au sol par une technique appelée solid-solid deposition. Ensuite, ce mélange de poudre a été introduit à l'extrudeuse pour mélanger la matrice polymère avec les charges nanométriques à l'état fondu, formant ainsi un mélange homogène. Ce processus facilite considérablement la mise à l'échelle, car il est compatible avec l'infrastructure de traitement des polymères industriels existante, permettant son intégration dans les lignes de production actuelles et ouvrant la voie à des applications commerciales. Des études sur la dynamique moléculaire ont été menées pour élucider les interactions entre les charges nanométriques et la matrice de polyamide, en se concentrant sur le processus de relaxation du polymère lors de la transition vitreuse, le volume des chaînes impliquées dans la transition de Brill pendant la fusion et l'énergie nécessaire pour séparer les chaînes polymères des feuilles nanométriques. Les résultats ont indiqué que GO et h-BN présentent des interactions plus fortes avec la matrice polymère par rapport au MoS2, ce qui se reflète également dans les performances de leurs respectifs composites hybrides. La microstructure de la matrice polymère, un facteur critique influençant les propriétés des matériaux à base de polymères, a été examinée par des analyses microstructurales. Ces analyses ont révélé que l'ajout des charges nanométriques a affecté l'ordre semi-cristallin de la matrice polymère. Bien que la transition de phase de α à γ n'ait pas été observée, h-BN et MoS2 se sont avérés pour diminuer à la fois la fraction cristalline globale et l'organisation des domaines cristallins. Au contraire, go n'a pas affecté de manière significative la microstructure de polymère. Cependant, avec ses feuilles plus grandes et sa forte affinité chimique, GO a conduit à la plus grande amélioration de la ténacité à la traction à température ambiante (plus de 120% à 0,5% en poids). Fait intéressant, cette amélioration n'a pas été observée à basse température (-40 ° C), où la diminution de l'ordre microstructural était la principale raison d’augmentation de la ténacité de la PA 1010, avec seuls les composites renforcés par h-BN conservant certaines caractéristiques d’augmentation de la ténacité d'origine. Enfin, pour démontrer la multifonctionnalité des nanocomposites développés, il a été démontré que l'incorporation de faibles quantités (moins de 0,5 % en poids) de ces charges nanométriques 2D permettait aux nanocomposites de conserver les propriétés diélectriques et tribologiques originales du PA 1010 tout en améliorant la conductivité thermique de près de 10%. Ces résultats soulignent le potentiel de ces nanomatériaux en tant qu'additifs à faible teneur pour des applications avancées, où l'obtention de propriétés spécifiques sans compromettre les autres présente un défi important. | |
| local.keywords | nanocomposites polymères | |
| local.keywords | polyamide 1010 | |
| local.keywords | oxyde de graphène | |
| local.keywords | nitrure de bore hexagonal | |
| local.keywords | disulfure de molybdène | |
| local.keywords | propriétés multifonctionnelles | |
| local.publisher.country | Brasil | |
| local.publisher.department | Escola de Engenharia Mackenzie (EE) | |
| local.publisher.initials | UPM | |
| local.publisher.program | Engenharia de Materiais e Nanotecnologia | |
| local.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS |