MODELLING AND OPTIMIZATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF POLYMER NANOCOMPOSITES

The research activity here reported spans different areas of the nanocomposite material science, giving a contribution toward the advancement in its state of the art. The study of the effects of the filler distribution on the mechanical properties of nanomodified polymers is a major research topic which is carried out. Different computational and theoretical approaches have been developed, considering statistics, finite element analyses and micromechanics. Several nanomodified epoxy resins have been manufactured along with glass fibre reinforced laminates with nanomodified matrix. The effects of the nanomodification on the mechanical properties of these composites have been studied, in order to validate predictive models and supply technical data to material designers. The results obtained so far highlight the importance, in this class of materials, of the study of interactions at the nanoscale between the nanoreinforcement and the matrix. The thesis is articulated in an introduction, followed by two sections, dedicated to the experimental activity and the modelling one, and by an appendix. The introduction presents a brief overview on nanocomposites giving a primer to a reader devoid of prior experience with this class of materials. The experimental activity section is constituted by four chapters. The first one contains the results of mechanical tests performed on a nanoparticle reinforced epoxy, alongside an analysis on the processing parameters employed in the composite preparation. The enhancement in the nanocomposite fracture toughness is compared with a theoretical model, showing a satisfactory agreement. The second chapter reports the study of the effect of the testing temperature on the fracture toughness of the same material. The analysis highlights the fundamental importance of the processing parameters and of the testing temperature on the nanomodification effects. The third chapter considers a different aspect of the nanomodification: a nanoplatelet reinforced epoxy is used to prepare notched specimens and the strength analysis of the notched component is carried out. The fourth chapter reports the research activity performed on the study of the matrix nanomodification of glass fibre reinforced laminates. The effects on the matrix dominated mechanical properties and the feasibility in the production of a laminate with antibacterial bulk properties are analysed. The modelling section is constituted by three chapters. The first one contains a comparison between two approaches for the estimation of the elastic properties of a nanocomposite material, considering explicitly the presence of an interphase surrounding the nanoreinforcements. The first approach implements a two-step micromechanical model, while the second one is based on a finite element analysis. The second chapter reports the research activity carried out on the generation of representative volume elements of nanoparticle reinforced materials. A statistically based algorithm is implemented to minimize the volume element size while retaining its representativeness. The study of the interphase extent and of the overall elastic modulus, through finite element analyses, is reported. The third chapter extends these considerations to the generation of volume elements for nanoplatelet reinforced materials. The random sequential absorption approach is implemented and its hidden effects on the filler distribution highlighted. A new version of the algorithm is proposed to remove these unwanted behaviours. The appendix section is dedicated to the implementation activity of approaches which have not been completed yet. The results obtained on the use of molecular dynamics in the simulation of polymers and nanomodified polymers are reported. While a detailed procedure for the simulation of epoxy resins is listed, the approach for the study of nanoplatelet-epoxy interactions is still in progress.

L'attività di ricerca riportata nella presente tesi riguarda diverse aree della scienza dei materiali nanocompositi e mira a dare un contributo nell'avanzamento del suo stato dell'arte. Uno degli ambiti principali di indagine è stato inerente allo studio degli effetti della distribuzione dei rinforzi sulle proprietà meccaniche esibite dai polimeri nanomodificati. Diversi approcci, computazionali e teorici, sono stati sviluppati, sfruttando considerazioni statistiche, l'analisi agli elementi finiti e la modellazione micromeccanica. E' stata eseguita la nanomodificazione di diverse resine epossidiche e la produzione di laminati in fibra di vetro con matrici nanomodificate. Sono quindi stati studiati gli effetti della nanomodificazione sulle proprietà meccaniche di questi compositi, al fine di validare modelli previsionali e fornire dati ai progettisti di materiali. I risultati finora conseguiti evidenziano l'importanza che, in questa classe di materiali, ricopre lo studio delle interazioni alla nanoscala che si sviluppano tra i nanorinforzi e la matrice. La tesi è articolata in una introduzione, seguita da due sezioni dedicate all'attività sperimentale e alla modellazione, e da una appendice a concludere. La sezione inerente l'attività sperimentale è costituita da quattro capitoli. Il primo contiene i risultati dei test sperimentali eseguiti su resine epossidiche nanomodificate, volti ad indagarne le proprietà meccaniche includendo l'effetto dei parametri di processo. E' inoltre riportato il confronto tra l'incremento della tenacità a frattura misurato sperimentalmente e le previsioni di un modello teorico, evidenziando una soddisfacente congruenza dei risultati. Il secondo capitolo riporta lo studio degli effetti della temperatura sulla tenacità a frattura dello stesso materiale. Tale analisi rimarca la fondamentale importanza dei parametri di processo e della temperatura di prova sugli effetti della nanomodificazione. Il terzo capitolo considera un diverso aspetto della nanomodificazione, ovvero la resistenza di campioni intagliati, prodotti con resine epossidiche rinforzate con nanoplatelets. Il quarto capitolo riporta l'attività di ricerca portata avanti sull'impiego di matrici nanomodificate in laminati rinforzati in fibra di vetro. Oggetto di analisi sono le proprietà meccaniche dipendenti dalla matrice e la possibilità di produrre laminati con proprietà antibatteriche. La sezione inerente l'attività di modellazione è invece costituita da tre capitoli. Il primo contiene un confronto tra due approcci volti alla stima delle proprietà elastiche di un materiale nanocomposito, considerando in modo esplicito la presenza di una interfase che circonda i nanorinforzi. Il primo degli approcci implementati è un modello micromeccanico in due passi, mentre il secondo è basato su una analisi agli elementi finiti. Il secondo capitolo riporta l'attività di ricerca inerente la creazione di volumi rappresentativi di materiali rinforzati da nanoparticelle. Tale studio si basa sull'impiego di un algoritmo in grado di considerare aspetti statistici volti alla riduzione della dimensione del volume di controllo, pur mantenendone la rappresentatività. Sono quindi riportate le analisi sull'estensione dell'interfase e sulle proprietà elastiche globali del composito, valutate tramite analisi agli elementi finiti. Il terzo capitolo estende i concetti esposti nel precedente per la generazione di volumi rappresentativi di materiali rinforzati con nanoplatelets. Un approccio basato sull'algoritmo di random sequential absorption è stato implementato, evidenziando gli effetti che questo comporta sulla distribuzione dei rinforzi. E' stata quindi proposta una nuova versione di questo algoritmo, capace di rimuovere queste conseguenze indesiderate. L'appendice è dedicata all'esposizione dell'attività svolta nell'implementazione di approcci che però non sono ancora stati completati. In essa sono riportati i risultati finora conseguiti sull'uso della dinamica molecolare nella simulazione di polimeri e nanocompositi. In particolare è elencata una procedura dettagliata per la simulazione di resine epossidiche, e la prima parte di un approccio per lo studio di resine epossidiche rinforzate con nanoclay.