Improving the photo-stability of polymers using graphene

Karimi, Samira (2024). Improving the photo-stability of polymers using graphene. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis aimed at achieving UV-stabilized polymers, using the incorporation of few-layer graphene (FLG), and to evaluate the dominant action mechanisms of FLG, and optimize its role, as a photo-stabilizer. The FLG performance as a photo-stabilizer and its effect on both macro and microstructural changes of High-Density Polyethylene (HDPE) composites, occurring during photo-degradation, were investigated. HDPE composites containing different FLG concentrations (0, 0.1, 0.25, and 0.5 wt%) were prepared through melt mixing using a twin-screw extruder, followed by exposure to UV-A irradiation for several durations. Rheological and mechanical properties were evaluated as a function of UV exposure time. To determine FLG's photo-stabilizing mechanisms, a specific controlled test, involving the UV exposure process of the mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and the FLG aqueous suspensions, was conducted. Then, the amount of created free radicals was measured using an Electron Paramagnetic Resonance (EPR) test. Finally, the effect of the FLG addition on the penetration of photo-degradation within HDPE, and the correlation between photo-degradation depth at which chemi-crystallization occurs, and elongation at break, were investigated using Raman microscopy.

It was found that the addition of only 0.25 wt% FLG into HDPE showed a notable UV resistance for an exposure time of 672 hours, evident from sustained retention of rheological and mechanical properties.

Additionally, it was shown that 57% of the observed reduction in EPR signals, indicating the reduction in the amount of created free radicals, is due to UV absorption/reflection and 43% due to the free radical scavenging abilities of FLG. It is demonstrated that UV absorption/reflection and free radical scavenging mechanisms are the dominant ones among the three FLG photo-stabilizing mechanisms (UV absorption/reflection, free radical scavenging, and physical barrier to oxygen).

Finally, it was found that embrittlement occurred in neat HDPE when photo-degradation depth reached around 10 % of the sample thickness. Conversely, the samples containing 0.5 wt% FLG maintained a ductile failure behavior, despite a notable 12.5% depth of photo-degradation within the sample, and in the presence of surface cracks. The persistence of ductile behavior was attributed to the photo-stabilizing effect of FLG, as well as, to the tendency of the degraded layer to detach from the ductile core of the composite. The ability of the FLG-containing composites to maintain ductility through the detaching mechanism led to the deviation from the superposition principle observed in neat HDPE, between sample thickness, UV exposure time, and UV damage.

Titre traduit

Amélioration de la photo-stabilité des polymères en utilisant le graphène

Résumé traduit

Cette thèse visait à obtenir des polymères stabilisés aux UV en incorporant du graphène à quelques couches (FLG), à évaluer les mécanismes d'action dominants du FLG, et optimiser son rôle en tant que photo-stabilisateur. Les performances du FLG en tant que photostabilisateur et son effet sur les changements macro et microstructuraux des composites en polyéthylène haute densité (HDPE) survenant lors de la photo-dégradation, ont été étudiés.

Des composites HDPE contenant différentes concentrations de FLG (0, 0.1, 0.25 et 0.5 % en poids) ont été préparés par mélange à l'état fondu à l'aide d'une extrudeuse à double vis, suivie d'une exposition à l'irradiation UV-A pendant plusieurs durées. Les propriétés rhéologiques et mécaniques ont été évaluées en fonction du temps d'exposition aux UV. Pour déterminer les mécanismes de photo-stabilisation du FLG, un test contrôlé spécifique impliquant le processus d'exposition aux UV du mélange de peroxyde d'hydrogène (H2O2) et des suspensions aqueuses de FLG a été réalisé. Ensuite, la quantité de radicaux libres créés a été mesurée à l'aide d'un test de résonance paramagnétique électronique (EPR). Enfin, l'effet de l'ajout de FLG sur la pénétration de la photo-dégradation dans le HDPE, et la corrélation entre la profondeur de la photo-dégradation à laquelle la chimie-cristallisation se produit, et l'allongement à la rupture, ont été étudiés à l'aide de la microscopie Raman.

Il a été constaté que l'ajout de seulement 0.25 % en poids de FLG dans le HDPE résultait en une résistance notable aux UV pendant une durée d'exposition de 672 heures, comme en témoigne la rétention soutenue des propriétés rhéologiques et mécaniques. De plus, il a été démontré que 57 % de la réduction observée des signaux EPR, indiquant la réduction de la quantité de radicaux libres créés, est due à l'absorption/réflexion des UV et 43 % à la capacité de piégeage des radicaux libres du FLG. Il a été démontré que les mécanismes d'absorption/réflexion des UV et de piégeage des radicaux libres sont dominants parmi les trois mécanismes de photo-stabilisation du FLG (absorption/réflexion des UV, piégeage des radicaux libres et barrière physique à l'oxygène).

Enfin, il a été constaté que la fragilisation se produisait dans le HDPE pur lorsque la profondeur de la photo-dégradation atteignait environ 10 % de l'épaisseur de l'échantillon. En revanche, les échantillons contenant 0,5 % en poids de FLG conservaient un comportement de rupture ductile, malgré une profondeur notable de 12,5 % de photo-dégradation à l'intérieur de l'échantillon et malgré la présence de fissures de surface. La persistance du comportement ductile a été attribuée à l'effet de photo-stabilisation du FLG, ainsi qu'à la tendance de la couche dégradée à se détacher du coeur ductile du composite. La capacité des composites contenant du FLG à maintenir la ductilité par le mécanisme de détachement a conduit à l'écart par rapport au principe de superposition observé dans le HDPE pur, entre l'épaisseur de l'échantillon, le temps d'exposition aux UV et les dommages UV.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 113-127).
Mots-clés libres:	photo-dégradation, graphène, photo-stabilisant, barrière physique, piégeur de radicaux, absorption/réflexion des UV, fragilisation, ductilité, chimie-cristallisation, profondeur de la photo-dégradation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demarquette, Nicole R.
Codirecteur:	Codirecteur David, Éric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 mai 2024 14:27
Dernière modification:	30 mai 2024 14:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3451

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