Thermomechanical characterization of shape-memory polymeric composites

Abstract

The shape-memory materials are nowadays an important subject in the scienti c community due to their huge technological potential. These materials have the capability of being triggered by an external stimulus and, consequently, change their shape. Considering the recent development of the biomedical industry, this dissertation aims to develop the applicability of shape-memory materials into biomedical devices, enabling a more e cient operability. Therefore, the shape-memory polyurethane was chosen to this end due to their high biocompatibility and proximity between the thermal transition temperature of the material and the human body temperature. However, the thermoplastic polyurethane (TPU), and the shape-memory polymers in general, possesses major drawbacks related to the inferiority of its mechanical performance as compared with shape-memory alloys (SMAs) and its large shape recovery time. In order to pursue the mechanical reinforcement and improvement of the polyurethane properties, it was conducted an experimental study in which polyurethane nanocomposites containing carbon based nanoparticles were produced. It was used carbon nanotubes (CNTs), treated and non-treated, and graphene, as these materials exhibit excellent thermo-mechanical properties reported in the literature. The nanocomposites were produced through mechanical melt mixing and injection moulding and they were incorporated with 0.5 vol.%, 1.0 vol.% and 1.5 vol.% of non-treated CNTs, treated CNTs and non-treated graphene. It was performed the morphological, thermal and mechanical characterization of the nanocomposites. Thermo-mechanical properties, such as glass transition temperature (Tg), melting temperature (Tm), speci c heat capacity (cp), thermal di usivity ( ), elastic modulus (E), tensile strength at break ( b) and elongation at break ("b) were evaluated. In the present dissertation it could be analysed the in uence of the di erent types of nanoparticles and di erent concentrations on the thermo-mechanical properties of the produced nanocomposites. Through this, the best relation regarding the materials and parameters used in this work was determined. It was also possible to draw some conclusions regarding the shape-memory performance of the nanocomposites.

Os materiais com memória de forma são, atualmente, um tema em estudo pela comunidade cientí ca devido ao seu grande potencial tecnológico. Estes materiais possuem a capacidade de reagir a um estímulo externo e, em consequência disso, alterar a sua forma. Tendo em conta a recente expansão na indústria biomédica, este trabalho de dissertação pretende dar resposta à aplicabilidade de materiais com memória de forma em dispositivos biomédicos, permitindo uma operabilidade mais e ciente dos mesmos. Para tal, foi considerado o uso do poliuretano com memória de forma, devido à sua elevada biocompatibilidade e à proximidade entre a temperatura de ativação térmica do material e da temperatura média do corpo humano. No entanto, o poliuretano termoplástico (TPU), e a generalidade dos polímeros com memória de forma, tem desvantagens relacionadas com o seu desempenho mecânico inferior comparativamente com as ligas metálicas com memória de forma e com o elevado tempo de recuperação de forma. Procurando o reforço mecânico e a melhoria das propriedades do poliuretano com memória de forma, foi realizado um trabalho experimental de processamento de nanocompósitos de poliuretano aditivados com nanopartículas de carbono. Para tal, foram usados nanotubos de carbono (CNTs), não tratados e sujeitos a funcionalização, e grafeno, uma vez que estes materiais possuem excelentes propriedades térmicas e mecânicas documentadas na literatura. Foram produzidos através do método de mistura mecânica por fusão e posterior injeção os nanocompósitos aditivados com 0.5 vol.%, 1.0 vol.% e 1.5 vol.% de nanotubos de carbono não tratados, nanotubos de carbono funcionalizados e grafeno não tratado. Foi realizada caracterização morfológica, térmica e mecânica dos nanocompósitos. Propriedades como a temperatura de transição vítrea (Tg), a temperatura de fusão (Tm), o calor especí co (cp), a difusividade térmica ( ), o módulo de elasticidade (E), tensão de rotura ( b) e deformação de rotura ("b) foram avaliadas. Através desta dissertação foi possível avaliar a in uência das diferentes nanopartículas e das diferentes concentrações usadas nas propriedades termo-mecânicas do material e posteriormente determinar uma relação entre os materiais e parâmetros usados. Foi possível ainda estabelecer algumas conclusões relativas à performance da memória de forma dos nanocompósitos.