Title NEW TEXTILE SENSORS FOR IN SITU STRUCTURAL HEALTH MONITORING OF TEXTILE REINFORCED THERMOPLASTIC COMPOSITES BASED ON CONDUCTIVE POLYMER COMPLEX POLY[3,4- (ETHYLENEDIOXY)THIOPHENE]-COMPL-POLY(4-VINYL BENZENESULFONIC ACID) Title (croatian) NOVI TEKSTILNI SENZORI ZA IN SITU PRAĆENJE STANJA STRUKTURE TEKSTILOM OJAČANIH TERMOPLASTIČNIH KOMPOZITA TEMELJENIH NA VODLJIVOM POLIMERNOM KOMPLEKSU POLI[3,4- (ETILENDIOKSI)TIOFEN]-COMPL-POLI(4-VINIL-BENZENSULFONSKA KISELINA) Author Ivona Jerković Mentor Anamarija Grancarić (mentor)Mentor Vladan Končar Committee member Budimir Mijović (predsjednik povjerenstva)Committee member Anamarija Grancarić (član povjerenstva)Committee member Vladan Končar Committee member Zlata Hrnjak-Murgić (član povjerenstva)Committee member Andrej Demšar Granter University of Zagreb Defense date and country 2021-08-26, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 677 - Textile industry Abstract The development of textile sensors for in situ structural health monitoring of textile reinforced 2D thermoplastic composites based on the conductive polymer complex poly[3,4- (ethylenedioxy)thiophene]-compl-poly(4-vinylbenzenesulfonic acid) (PEDOT-compl-PSS) was the main backbone of this doctoral dissertation. A novel laboratory equipment based on conceptual design was made for the application of the coatings onto the yarn in order to achieve uniform and continuous electroconductive and protective coatings. Electroconductive coating was determined by the percolation threshold of the polymer complex PEDOT-compl-PSS by measuring the electrical resistance of thin films developed. Electrical conductivity of the films was decreased progressively with their thicknesses. Textile sensors were integrated during the weaving 2D and 3D fabrics. They showed the possibilities of resistance to high temperature and pressure as a part of these structures by giving adequate electrical resistance responses after their thermal consolidation depending on the conditions applied. These sensors provided potential for damage detection of composites during in situ tensile loading in real time and analysis of their structures. Characterisation of textile sensors, 2D and 3D textile preforms and textile reinforced 2D thermoplastic composites included determination of their electrical, electromechanical, mechanical (tensile), thermal properties and interface phenomena and their morphology analysis. GF/PP sensors showed higher electrical resistance, prior testing, and lower gauge factor as compared to GF sensors. The electrical resistance of GF/PA66 sensors was slightly lower compared to other textile sensors with lower dispersion of results. GF/PA66 sensors showed low gauge factor. Thermal analysis showed that microscale combustion calorimetry analysis (MCC) pyrolysis residues were coherent to the obtained thermogravimetric analysis (TGA) pyrolysis residues of the developed structures. Textile reinforced 2D thermoplastic composites with integrated textile sensors indicated low limiting oxygen index (LOI), due to high effect of polymers. Protective and conductive coatings decreased the yarn surface free energy (SFE). SFE of composites with integrated textile sensors were under the influence of thermoplastic polymers, due to the consolidation of 2D textile preforms.
Abstract (croatian) Razvoj tekstilnih senzora za in situ praćenje stanja strukture tekstilom ojačanih termoplastičnih kompozita temeljenih na vodljivom polimernom kompleksu poli[3,4-(etilendioksi)tiofen]-compl-poli(4-vinil-benzensulfonska kiselina) (PEDOT-compl-PSS) glavna je okosnica ovog doktorskog rada. E-stakleno/polipropilenska (GF/PP) pređa, E-stakleno/poli(N,N’-heksametilen-adipamid)na (GF/PA66) pređa i E-staklena (GF) pređa proizvođača PD Fiberglass su korištene za njihovu izradu. Prema konceptualnom dizajnu izrađeni su novi laboratorijski uređaj i komora za primjenu nove metode naslojavanja pređe u svrhu postizanja ujednačenog i kontinuiranog elektrovodljivog i zaštitnog nanosa. Temeljem preliminarnih ispitivanja, manja brzina naslojavanja pređe je podešena radom dva motorna uređaja u sustavu radi sušenja naslojene pređe s puhalom vrućeg zraka (Steinel Professionel) u sklopu cjelokupnog procesa naslojavanja. Uvjeti su postavljeni uzimajući u obzir prisutnost termoplastičnog polimera u pređi kako bi se izbjeglo taljenje polimera tijekom sušenja. Trgovački PEDOT-compl-PSS CLEVIOS P FORM. CPP105D (Heraeus), i/ili CLEVIOS F ET (Heraeus), i vodena disperzija akrilnih estera, Latex Appretan 96100 (Clariant), miješane su pod strogo određenim uvjetima. Elektrovodljivi nanos određen je pragom perkolacije polimernog kompleksa PEDOT-compl-PSS mjerenjem električnog otpora tankih filmova ovog kompleksa standardnim Ommetrom u razdoblju od 75 dana. Značajne promjene u vrijednostima električnog otpora većine filmova primjećene su nakon 65 dana. Električna vodljivost filmova se smanjuje proporcionalno s njihovom debljinom. Princip rada razvijenih tekstilnih senzora temelji se na formiranju električnih vodljivih puteva u naslojenim slojevima izrađenih vodljivom vodenom disperzijom polimernog kompleksa PEDOT-compl-PSS s novom metodom naslojavanja na pređu. Potrebno je precizno izvesti spajanje bakrene žice (Conrad) s naslojenom pređom radi povezivanja s mjernim sustavom u svrhu mjerenja električnog otpora (KUSB-3100 digitalni modul za prikupljanje podataka, otpornik i računalo s upotrebom QuickDAQ softvera) i sprječavanja električnih smetnji uzrokovanih induktivnosti i električnim kapacitetom pri njihovom povezivanju. Tekstilni senzori ugrađuju se tijekom procesa tkanja kao niti u smjeru potke/osnove/pod kutom na određenim udaljenostima u 2D i 3D tekstilnim strukturama. Ovi senzori omogućuju identificiranje oštećenja kompozita tijekom vlačnih ispitivanja u stvarnom vremenu in situ i analizu njihove strukture. x Karakterizacija tekstilnih senzora, 2D i 3D tekstilnih predoblika te tekstilom ojačanih 2D termoplastičnih kompozita s ugrađenim tekstilnim senzorima obuhvaća određivanje njihovih električnih, elektromehaničkih, mehaničkih, toplinskih svojstava i međupovršinskih pojava te analizu njihove morfologije. Elektromehanička ispitivanja senzora pokazuju da GF/PP senzori izrađeni s kapljicama srebra imaju značajno niži mjerni faktor, nego GF/PP senzori s kapljicama polimernog kompleksa PEDOT-compl-PSS. GF/PA66 senzori izrađeni s kapljicama srebra pokazuju nešto niži električni otpor, i niži mjerni faktor, u usporedbi s GF i GF/PP tekstilnim senzorima. Ispitivanje predoblikovanjem (stamping analiza) je učinjeno da se istraži ponašanje 3D tkanine s interlok ojačanjem po osnovi s novo razvijenim GF/PP tekstilnim senzorima radi usporedbe pređe u smjeru osnove i potke unutar ove složene strukture. Istezanja tekstilnih senzora su mnogo veća u smjeru osnove nego u smjeru potke, radi njihovog položaja u ovim 3D tkaninama. GF/PP i GF tekstilni senzori ugrađeni u 2D tekstilne predoblike postojani su pri visokim temperaturama i tlaku nakon njihove toplinske konsolidacije s prihvatljivim vrijednostima električnog otpora ovisno o postavljenim uvjetima konsolidacije. Prema analizi skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM), vodljivi filmovi imaju zrnastu morfologiju. Ujednačena površina filmova je važan parametar za postizanje veće elektrovodljivosti. Postupak izrade tekstilnih senzora utječe na poprečni presjek pređe. Debljina nanosa ovisi o masenom udjelu komponenata. Što je udio staklene komponente veći, debljina nanosa je manja. Rezultati su u korelaciji s međupovršinskim pojavama tekstilnih senzora. Istražena je slobodna površinska energija (SFE) razvijenih tekstilnih senzora i povezanih kompozita metodom dodirnog kuta. Vodljivi filmovi pokazuju nisku SFE prema Wu teoriji. Zaštitni i vodljivi nanosi smanjuju SFE pređe. SFE kompozita ponajviše je pod utjecajem termoplastičnih polimera. Sustavi GF, GF/PP i GF/PA66 pređa u obliku tableta i suhih vodljivih filmova pokazuju niske međupovršinske energije te su blizu optimalnim termodinamičkim uvjetima. Termogravimetrijska analiza (TGA), mikrokalorimetrijska analiza (MCC) i granični indeks kisika (LOI) korišteni su za određivanje toplinskih svojstava razvijenih struktura. TGA pokazuje da se GF/PP senzor počinje raspadati pri višoj temperaturi u usporedbi s GF/PA66 senzorom. MCC pirolizni ostaci tekstilnih senzora su koherentni s dobivenim TGA ostacima. Termoplastični kompoziti s ugrađenim tekstilnim senzorima pokazuju nizak LOI (LOI 22 i LOI 23) unatoč znatnom udjelu staklenih vlakana radi razlijevanja polimera. xi In situ praćenje stanja strukture tekstilom ojačanih 2D termoplastičnih kompozita izvedeno je tekstilnim senzorima tijekom vlačnog opterećenja. Mjerni faktori su određeni iz polinomne jednadžbe drugog stupnja. Lom jednog senzora koji se dogodio tijekom in situ praćenja stanja strukture je otkriven za GF/PP kompozitne strukture s temperaturom konsolidacije od 185 °C. Tomografijska analiza GF/PP kompozita pokazuje male pukotine i lom vlakana unutar kompozitne strukture, dok ugrađeni GF/PP senzor nije u potpunosti oštećen nakon mehaničkog (vlačnog) ispitivanja. Temperatura konsolidacije od 230 °C ima presudan utjecaj za GF/PA66 kompozite s ugrađenim GF/PA66 ili GF tekstilnim senzorima. Ovi kompoziti pokazuju manju prekidnu vlačnu čvrstoću u odnosu na GF/PP kompozitne strukture, s nižim prekidnim vlačnim istezanjem.
Keywords
smart textiles
conductive polymers
textile sensors
textile reinforced 2D thermoplastic composites
structural health monitoring in situ.
Keywords (croatian)
pametni tekstil
vodljivi polimeri
tekstilni senzori
tekstilom ojačani 2D termoplastični kompoziti
in situ praćenje stanja strukture
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:201:868178 Promotion 2022 Study programme Title: Textile Science and Technology Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Closed access Terms of use Created on 2022-03-31 10:09:04
