Characterization of a dynamic epoxy network : curing and functional properties

This work focuses on characterizing an epoxy resin with high glass transition temperature, embedding dynamic covalent disulfide bridges that provide intrinsic self-healing and mechanochromic behavior. In this way, any superficial damage could be visually detected and able to heal within few hours without the need for any external stimulus, e.g. UV light and/or temperature. These functional properties also combine the typical features of thermosetting polymers with reprocessability, which is usually proper to thermoplastic polymers only. It is a comparative study between the dynamic epoxy resin and an almost identical network, but without dynamic covalent bonds, to appreciate similarities and differences in rheological and mechanical terms by means of thermo-mechanical analyses. Emphasis is placed upon curing and post-curing modes that lead to the formation of the three-dimensional cross-linked network, since material’s final properties are greatly affected by process/structure relationships. The dynamic epoxy system object of this work will be eventually employed as matrix material for the design of multifunctional polymer-based composite materials. This thesis is part of a collaboration project between Politecnico di Milano and Agenzia Spaziale Italia aiming to design tailored materials with multifunctional properties for aerospace applications.

Questo elaborato di tesi si è proposto l’obiettivo di caratterizzare ed analizzare una resina epossidica ad alta temperatura di transizione vetrosa, contenente legami covalenti dinamici zolfo-zolfo che ne permettono l’autoriparazione e un effetto cromatico dovuto a sollecitazione meccanica. In questo modo, qualunque danno superficiale può essere individuato ad occhio nudo e viene riparato autonomamente dai legami covalenti dinamici in poche ore senza l’ausilio di stimoli esterni, come ad esempio raggi UV o gradienti di temperatura. Queste due proprietà permettono di combinare le superiori caratteristiche della resina, in qualità di polimero termoindurente, con la possibilità di riprocessare il materiale, tecnica che solitamente è esclusiva dei polimeri termoplastici. Per lo scopo, uno studio comparativo è stato effettuato, in termini di proprietà meccaniche e reologiche, fra la resina oggetto di studio e una resina identica, eccetto per la presenza dei legami covalenti dinamici. Inoltre, siccome le proprietà finali della resina sono per gran parte influenzate dal processo di reticolazione, grande enfasi è stata posta sulle modalità dei cosiddetti processi di curing e post-curing del materiale. La resina epossidica oggetto di questo lavoro verrà successivamente utilizzata come matrice per progettare materiali compositi multifunzionali. Questo elaborato di tesi rientra nel progetto di collaborazione tra Politecnico di Milano ed Agenzia Spaziale Italiana, avente come scopo la progettazione di materiali multifunzionali per applicazioni in ambito aerospaziale.