Doctoral Thesis

Hybrid Blends of Recycled Plastics

Main document 2.86 MB Thesis 651.26 kB

FCHDoctoral ThesisStudent: Ing. Miroslav Černý, Ph.D.Acad. year: 2017/2018

Leader: prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.

Opponents: doc. Ing. Marián Lehocký, Ph.D., Ing. Vendula Balgová, Ph.D.

Work describes the relationship between structure and mechanical properties in case of hybrid mixtures. They are composed from polyurethane matrices (eventually polyurethane-urea or polyurethane-inorganic filler mixtures), different rubber fractions as filler and eventually reinforcement made from PET monofilaments. Mechanical behaviour was studied by tensile testing. Studied mechanical properties include tensile modulus, ultimate strength and strain and also specific energy need neccessary for ultimate strength achievement. Prepared materials are naturally porous. Therefore their mechanical behaviour has to be described generally for porous composites. The porosity occurence means, that it is difficult to describe them by models valid for mechanical behaviour (mainly elastic modulus) of nonporous composites. Models are also based on idealized structures on microscopic level. In case of porous composites, it is very difficult to create any idealized structure. The structure is changed with modifications of composition (change of components or their rates). These conditions have lead to utilizing of different approach how to describe the relationship between structure and mentioned mechanical properties. The chosen approach comes from knewledge about structural parametres coming from porosity. Structural parameters describe the structure on macroscopic level. They include interspace volume (volume lying between filler particles), interspace filling (how the matrix fills the interspace volume) and matrix volume fraction. Proposed parameters are used in relations, where they are fitted by exponents to interlay values of chosen mechanical properties for composites containing discrete matrix and filler. Found exponents are then described by properties of matrices to obtain relations describing properties of filled porous materials. Very similar approach was chosen for description in the case of reinforced composites. Proposed relation are potentially valid for materials containing binding matrix, infinity count of fillers and one kind of reinforcement.

Language

Czech

State

Handed (the work was physically delivered to the student later be assessed on the basis of the evaluation undertaken with defense)

Faculty

Department

Study branch

Chemistry of Macromolecular Materials

Classification by leader
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.

Ing. Černý byl od počátku studia v DSP MCH velmi aktivní jak při provádění experimentální části svého dizertačního projektu, tak v oblasti hledání postupů pro matematický popis získaných experimentálních dat. Jeho projekt byl velmi komplikovaný jednak množstvím složek tvořících zkoumaný systém a jednak tím, že většina komponent pocházela z recyklačních procesů, tedy jejich struktura vykazovala relativně velké variace. To se projevilo i v poměrně širokém intervalu jejich vlastností,což ztěžovalo analýzu vlastností připravených směsí a kompozitů. Ing.Černý navrhl relativně komplikovaný způsob multiparametrického zpracování dat tak, že získal parametry,které vykazovaly přijatelnou korelaci s vybranými strukturními proměnnými. Při zpracování své dizertační práce se i přes některé své neměnné názory snažil řídit doporučeními školitele. Proto doporučuji, aby po úspěšné obhajobě jeho dizertační práce mu byl v souladu se zákonem o VŠ udělena vědecká hodnost Ph.D.



Classification by opponent
doc. Ing. Marián Lehocký, Ph.D.

Dizertační práce Ing. Miroslava Černého je zaměřena popis vztahu mezi strukturou a mechanickými vlastnostmi v případě hybridních směsí. Ty jsou složeny z polyuretanových matric, případně polyuretan-močovinových matric nebo směsí polyuretanu a anorganických plnivě, rozdílných frakcí pryže jako plniva a případně výztuže tvořené PET monofily. Mechanické chování bylo studováno tahovými zkouškami. Studované mechanické vlastnosti zahrnují modul pružnosti v tahu, napětí a prodloužení na mezi pevnosti a měrnou spotřebu energie na dosažení mezi pevnosti. Připravené materiály jsou přirozeně pórovité. Proto jejich mechanické chování musí být popsáno obecně pro pórovité kompozity. Přítomnost pórovitosti znamená, že je obtížné je popsat modely platnými pro mechanické chování, hlavně modulu pružnosti nepórovitých kompozitů.
Cílem práce byla příprava a strukturně–termomechanická charakterizace binárních, ternárních a vyšších směsí obsahujících frakce drcené pryže, recyklovaný PET a další komponenty na různých rozměrových škálách pojené PUR matricí. Získané poznatky o vztazích mezi strukturními proměnnými a termomechanickými vlastnostmi by mohlo najít využití při návrhu materiálů pro opravy vozovek.
Při studiu byly použity tyto charakterizační metody: elektronová mikroskopie (SEM), konfokální laserová rastrovací mikroskopie (CLSM), stanovení teploty skelného přechodu (Tg) pomocí DSC, titrační stanovení NCO skupin v předpolymeru PU4223CS, stanovení nízkomolekulárního podílu v polyuretanech, tahová zkouška, měření hustoty jednotlivých složek kompozitů, měření skutečné hustoty a pórovitosti zkušebních těles, Výpočet hodnot odvozených strukturních parametrů zkušebních těles a odvozené zpracování dat – hledání koeficientů mocninné funkce. Co do zvolených metod a rozsahu výzkumu nelze ničeho namítat, byly zvoleny nanejvýš správně.

Práce sama je koncipována obvyklým způsobem, kdy po stručném úvodu následuje teoretická část a po ní jsou shrnuty cíle práce. Dále navazuje experimentální část a po ní jsou rozdiskutovány naměřené výsledky. Logicky následuje souhrnný závěr a dále jsou přehledně uvedeny literární zdroje, seznam zkratek a symbolů. Práci uzavírají přílohy ke kapitolám a v posledku i rejstřík rovnic, tabulek a obrázků.
Práce je napsána v nadstandartním rozsahu (138 stran) a obsahuje 64 obrázků, 21 tabulek a 78 zdrojů původní literatury.
Text práce je napsán s poměrně vysokou odborností, poukazující na aktuální problémy a limity v daném vědním oboru. Pro nezaujatého čtenáře působí zdařile a velmi kvalitně, taktéž se dobře čte (text je „tekutý, hutný a někam směřuje“). Toto jasné a srozumitelné zpracování práce dokazuje schopnosti autora a adekvátní orientaci ve studovaném oboru.
Po formální stránce k práci nemám žádných výrazných připomínek. Snad jen těch překlepů, snižujících celkovou úroveň práce, se místy objevuje skutečně poměrně dost. Stejně tak, u obrázků kupř. 22 – 26 a dalších je uvedená měrka nečitelná.
Na závěr konstatuji, že předložená dizertační práce má dle mého názoru poměrně dobrou úroveň. Drobná pochybení nijak nesnižují celkovou kvalitu a úroveň práce. Autor vzhledem ke kvalitě předložené práce splňuje veškerá požadovaná kritéria a osvědčil, že je dostatečně vyzrálou osobností. Zejména tyto důvody mě vedou nepochybně k závěru, že:

DOPORUČUJI

aby po úspěšné obhajobě dizertační práce byl Ing. Miroslavu Černému přiznán titul Ph.D.



Classification by opponent
Ing. Vendula Balgová, Ph.D.



File inserted by the reviewer Size
Balgová_Černý.pdf [.pdf] 391.42 kB B

Objectives which should be achieve

The project aims at preparation, structural and thermomechanical analysis of binary, ternary and higher blends of ground rubber, recycled PET and other components at diffeernt length scales all bound together by PUR. The obtained structure-property relationships can be used in designing novel materials for road repair.

Literature

KARGER-KOCSIS J., MESZAROS L., BARANY T. Ground tyre rubber (GTR) in thermoplastics, thermosets, and rubbers. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE. 2013, Sv. 48, 1
WIRPSZA Z. POLYURETHANES Chemistry, Technology and Applications. Chichester : Ellis Horwood Limited, 1993. 0-13-683186-9
KARGER-KOCSIS J., FELHÖS D., XU D. Mechanical and tribological properties of rubber blendscomposed of HNBR and in situ produced polyurethane. Wear. 2010, Sv. 268, 3-4
ZHANG X., et al. Mechanochemical Devulcanization of Ground Tire Rubber and Its Application in Acoustic Absorbent Polyurethane Foamed Composites. JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE. 2012, Sv. 127, 5
CHOREN J.A., HEINRICH S.M., SILVER-THORN M.B. Young´s modulus and volume porosity relatiuonships for additive manufacturing applications. JOURNAL OF MATERIAL SCIENCE. 2013, Sv. 48

Keywords

PUR/rubber composite (also as separated words), ternary composite, PUR/polyurethane, castor oil, rubber crumb and ground rubber, filler, elastic modulus, strength, porosity

Characteristics of thesis dilemmas

Prepare range of PUR elastomers with controlled degree of porosity, determine their cellular structure and use existing models to analyze their thermomechanical response.
Prepare range of binary, ternary and quaternary blends using fractions of ground rubber, fibers from recycled PET and inorgaic particles.
Perform cure kinetics investigation, structural analysis and attempt to develop at least quantitative semi-empirical  relationships between th evarious structural variables and mechanical properties of th eprepared materials.