Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σεμινάριο Φυσικής

Ενότητα 9

Γεωργακίλας Αλέξανδρος

Ζουμπούλης Ηλίας

Μακροπούλου Μυρσίνη

Πίσσης Πολύκαρπος

Άδεια Χρήσης

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

Τραβασάρος Χρήστος

Σεμινάριο Φυσικής-8ο Εξάμηνο

Επιβλέπων Καθηγητής: Πίσσης Πολύκαρπος

Περιεχόμενα1. Εισαγωγή

2. Ιστορικά Στοιχεία

3. Health Monitoring

4. Τύποι αυτοΐασης

Απελευθέρωσης Θεραπευτικού Παράγοντα

Αντιστρεπτοί Σταυροδεσμοί

5. Επίλογος

6. Βιβλιογραφία

ΕΙΣΑΓΩΓΗΤα αυτοϊούμενα υλικά είναι μία κατηγορία έξυπνων υλικών που έχουν την ικανότητα να επιδιορθώνουν ζημιές που έχουν υποστεί χωρίς εξωτερική παρέμβαση. Χωρίζονται σε 2 κατηγορίες:

• Αυτόνομα(autonomic)

• Μη-αυτόνομα (non-autonomic)

Ιστορικά στοιχεία

Τα αυτοϊούμενα υλικά αποτελούν έναν ευρέως αναγνωρισμένο τομέα σπουδών του 21 αιώνα, με το πρώτο διεθνές συνέδριο πάνω σε αυτά να διεξάγεται το 2007. Πάρα ταύτα, προσπάθειες δημιουργίας είχαν ήδη αρχίσει από τον 19 αιώνα

Health MonitoringΤεχνικές Health Monitoring (Non-Destructive Testing)

Χρήση Υπερήχων

Θερμογραφία

Χρήση Οπτικών Ινών

Χρήση της Ηλεκτρικής Αγωγιμότητας[17][1][3]

Τύποι Αυτοΐασης Release of Healing Agents

Reversible Cross-links [20,21]

Διάφορες Τεχνολογίες[8] Ηλεκτρουδροδυναμικά (electrohydrodynamics)[3]

Αγωγιμότητα (conductivity)[17]

shape memory effect[9]

Nanoparticle migration

Co-deposition.

Α)Release Of Healing AgentΕνεργοί παράγοντες όπως μονομερή, χρώματα και καταλύτες μέσα σε μικροκάψουλες, κενές ίνες ή δίκτυα ενσωματώνονται στο υλικό. Κατηγορίες:

Ενσωμάτωση Μικροκαψουλών (Microcapsule Embedment)

Ενσωμάτωση Κενών Ινών (Hollow Fiber Embedment)

Μικροαγγειακό Σύστημα(Microvascular System)

Release Of Healing Agent:Μικροκάψουλες

Microencapsulation είναι η διαδικασία στην οποία σωματίδια στερεού, σταγόνες υγρού ή αέριο περικλείονται από κέλυφος και ενσωματώνονται στο υλικό. Οι κάψουλες περιέχουν κάποιον καταλύτη ή θεραπευτικό παράγοντα. Το πρώτο πείραμα που παρήγαγε ένα πρακτικά αυτοϊούμενο υλικό διεξήχθη το 2001.[3]

Grubbs [bis(tricyclohexylphosphine) benzylidine ruthenium (IV) dichloride] [2]

Εικόνα 1: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Εικόνα 2: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Release Of Healing Agent:Hollow Fiber Embedment

Η μέθοδος την ενσωμάτωσης μικροκαψουλών στο υλικό έχει κάποια αρνητικά. Η πλειοψηφία αυτών αντιμετωπίζεται από την μέθοδο της ενσωμάτωσης Κενών Ινών, οι οποίες θα περιέχουν τους απαραίτητους θεραπευτικούς παράγοντες.

Εικόνα 3: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

[8,10]

Εικόνα 4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Θετικά

Μεγαλύτερη ποσότητα θεραπευτικού παράγοντα για την επιδιόρθωση ζημιών

Περισσότερες μέθοδοι ενεργοποίησης των παραγόντων

Συνδυάζονται επιτυχημένα με μεθόδους ενσωμάτωσης ενισχυτικών ινών

Αρνητικά

Οι ίνες πρέπει να σπάσουν για υπάρξει αποτέλεσμα

Επιβάλλεται η χρήση παραγόντων με μικρό Ιξώδες

Απαιτούνται πολλά βήματα κατασκευής

Hollow Fiber Embedment

Release Of Healing Agent:Microvascular System

Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε ένα κεντρικό δίκτυο το οποίο διανέμει τους θεραπευτικούς παράγοντες σε ένα πολυμερικό σύστημα με συνεχές τρόπο. Το 2007 ένα αποτελεσματικό υλικό (Scott-White και συνεργάτες) κατάφερε έως και 7 συνεχείς αυτοϊάσεις. [10]

[10]

Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Β)Reversible Cross-LinksTo Cross-Linking αποτελεί μια μη αντιστρεπτή διαδικασία που εφαρμόζεται στα πολυμερή με σκοπό την βελτίωση κάποιων ιδιοτήτων τους[15]. Με την αντιστρεπτή διαδικασία παρουσιάζεται η ιδιότητα της αυτοΐασης. Η μέθοδος ανήκει στις μη αυτόνομες. Κατηγοριοποιούνται σε:

Diels-Alder(DA) και Retro Diels-Alder(RDA)

Ionomers

Supermolecular Polymers

Reversible Cross-Links:Diels-Alder(DA) και Retro Diels-Alder(RDA)

Αποτελεί μια μέθοδο, στην οποία βασίζονται πολλά θερμικά αντιστρεπτά αυτοϊούμενα υλικά[4]. Το 2002 ερευνητές (Wuld και συνεργάτες[13]) έφτιαξαν ένα πολυμερές που ύστερα από θέρμανση ανακτά το 53% των μηχανικών του ιδιοτήτων, ενώ στη συνέχεια το βελτίωσαν έως και το 83%.

[13]

Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

[19,13]

Εικόνα 6: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

[6,19]

Εικόνα 8: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Reversible Cross-Links:Ionomers

Τα Ιονομερή είναι μια ειδική κατηγορία πολυμερικών υλικών που έχουν ως βάση τους υδρογονάνθρακες και περιέχουν όξινες ομάδες, μερικώς ή πλήρως εξουδετερωμένες, οι οποίες σχηματίζουν άλατα[11,16]. Οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ανιόντων (καρβοξυλικά και σουλφονικά) και κατιόντα μετάλλου ή μεταβατικά μεταλλικά κατιόντα. Παρουσία των ιοντικών ομάδων και των αλληλεπιδράσεις αυτών, παράγονται φυσικοί σταυροδεσμοί, που είναι αναστρέψιμοί.

[16]

Εικόνες 9-10: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Reversible Cross-Links:Supermolecular Polymers

Μονομερή με χαμηλή μοριακή μάζα συναρμολογούνται μεταξύ τους με αναστρέψιμους μη ομοιοπολικοί δεσμοί, αποκτώντας πολυμερικές ιδιότητες. Αυτοί οι δεσμοί είναι αναστρέψιμοι και βρίσκονται υπό θερμοδυναμική ισορροπία. Τα μακρομοριακά υλικά αυτά, τα λεγόμενα υπερμοριακά πολυμερή, διαθέτουν πρόσθετα χαρακτηριστικά σε σύγκριση με τα συνηθισμένα πολυμερή.[18,8]

[3]

Εικόνα 11: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Επίλογος

Ο τομέας των αυτοΐούμενων υλικών παρουσιάζει πολλές δυνατότητες στην αύξηση της μακροζωίας και αντοχής των δομικών υλικών. Υπόσχεται πολλά, με πρακτικές εφαρμογές τόσο στη αυτόνομη όσο και στην μη αυτόνομη ίαση. Είναι ένα υπέροχο πεδίο, το οποίο συνεχώς αυξάνεται και μπορεί πολύ σύντομα να είναι διαθέσιμο στην καθημερινή χρήση.

Βιβλιογραφία1. Baltopoulos A., Athanasopoulos N., Fotiou I., Vavouliotis A, Kostopoulos V.(2012), Sensing

strain and damage in polyurethane-MWCNT nano-composite foams using electrical measurements

2. Baghdachi Jamil,Perez Heidi,Shah Amit.(2010), Design and Development of Self-Healing Polymers and Coatings

3. Benight Stephanie, Wang Chao, Tok Jeffrey, Bao Zhenan.(2013), Stretchable and self-healing polymers and devicesfor electronic skin. Progress in Polymer Science 38 1961–1977

4. Bergman Sheba D. and Wudl Fred.(2007), Mendable polymers Ανακτηκε από: www.rsc.org/materials | Journal of Materials Chemistry

5. Brunsveld,L. FolmermB. J. B., Meijer E. W., Sijbesma R. P., Chem. Rev. (2001), Supramolecular Polymers

6. Gaina C., Ursache O., Gaina V., Varganici C. D.(2013), Thermally reversible cross-linked poly(ether-urethane)s

7. Gemert van G. M. L., Peeters J. W., Söntjens S. H. M.,Janssen H. M., Bosman A. W (2012), Self-Healing Supramolecular Polymers In Action

Βιβλιγραφία8. Ghosh Swapan Kumar.(2007). Self-healing Materials: Fundamentals, Design Strategies

and Applications

9. Harper Meng, Guoqiang Li. (2012), A review of stimuli-responsive shape memory polymer composites Polymer 54 (2013) 2199e2221 Ανακτήθηκε από:www.elsevier.com/locate/polymer

10. Kathleen Toohey, Nancy Sottos, Jennifer Lewis, Jefrey Moore, Sott White. (2013). Self-healing materials with microvascular networks. Ανακτήθηκε από: Letters

11. KalistaStephen James, Jr.(2013), Self-Healing ofThermoplastic Poly(Ethylene-co-Methacrylic Acid) Copolymers

12. Lewis A. Jennifer. (2006), Direct Ink Writing of 3D Functional Materials Ανακτήθηκε από:Direct Ink Writing 10.1002

13. LIU YING-LING, HSIEH CHIA-YUN.(2006), Crosslinked Epoxy Materials Exhibiting Thermal Remendablility and Removability from Multifunctional Maleimide and Furan Compounds. Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com).

Βιβλιογραφία15. Stukalin Evgeny, Cai Li-Heng, Kumar N. Arum, Leibler Ludwik, Rubinstein Michael.(2013), Self-

Healing of Unentangled Polymer Networks with Reversible Bonds, Macromolecules Ανακτθηκε από: pubs.acs.org

16. Sundaresan Vishnu Baba, Morgan Andrew, Castellucci2 Matt.(2012),Self-Healing of Ionomeric Polymers with Carbon Fibers from Medium-Velocity Impact and Resistive Heating, Hindawi Publishing Corporation, Smart Materials Research ,Volume 2013, Article ID 271546, 12 pages Ανακτήθηκε από:http://dx.doi.org/10.1155/2013/271546

17. Thostenson Erik, Chou Tsu-Wei,(2006), Carbon Nanotube Networks: Sensing of Distributed Strain and Damage for Life Prediction and Self Healing, Adv. Mater 18, 2837–2841

18. Yoon Jeong Kamada Ae, Jun, Koynov Kaloian, Mohin Jake, Nicola Renaud Zhang Yaozhong, Balazs Anna, KowalewskTomasz i, Matyjaszewski Krzysztof.(2012), Self-Healing Polymer Films Based on Thiol_Disulfide Exchange Reactions and Self-Healing Kinetics Measured Using Atomic Force Microscopy, Macromolecules Ανακτθηκε από: pubs.acs.org

19. Yuan Chan’e , Zhi Rong Min, Zhang Ming Qiu .(2014), Self-healing polyurethane elastomer with thermally reversible alkoxyamines as crosslinkages. Polymer 55 (2014) 1782e1791 Ανακτήθηκε από: www.elsevier.com/locate/polymer

20. Ziakovi Soulie,Cordier, P., Tournilhac, F, C. and Leibler, L.(2008) Nature, 451, 977–80.

21. http://en.wikipedia.org/wiki/Diels-Alder

22. http://en.wikipedia.org/wiki/Self-healing_material

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του

εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.