Toughening of bio-based Epoxies and Basalt-fibre composites with Block Copolymers

Polymer composites are used in many fields such as aerospace, automation, or construction as structural materials. They provide a favorable combination between final weight and properties due to their low specific weight. In order to further enhance their mechanical properties (increase long-term durability and improve the processability of polymeric composites), different nano-scale fillers are introduced into the resin mixture. In this work, a partially bio-based epoxy resin is modified with a saturated rubber additive as Block Copolymer. After the characterization of the modified epoxy resin, it is used as a matrix with Basalt fibers as reinforcement to produce laminates. The matrix and the laminates' thermal and mechanical properties are inspected separately with proper measurements so that a comparative discussion can be done. Fractography of matrix and laminates with SEM is then used in order to investigate the morphology of modified resin. The fracture toughness of the modified epoxy resin proved to be increased by a factor of four compared to the neat resin matrix. The fracture toughness of the laminates is also increased after modifying matrix content with the same Block Copolymer (BCP). Toughness modifications are governed by morphology and phase-separation of particles in cured epoxy resin due to the addition of BCPs. Samples with smaller particles and higher particle number density per unit area are proved to have higher toughness.

I compositi polimerici sono utilizzati in molti campi come l'aerospaziale, l'automazione o l'edilizia come materiale strutturale. Forniscono una combinazione favorevole grazie al loro basso peso specifico e buone proprietà meccaniche. Al fine di migliorare ulteriormente le loro proprietà meccaniche, aumentare la durabilità a lungo termine e migliorare la processabilità dei compositi polimerici, nella miscela di resine vengono introdotti diversi componenti a scala nanometrica. In questo lavoro una resina epossidica parzialmente a base biologica è stata modificata con un additivo di gomma saturo, più specificamente sono utilizzati copolimeri a blocchi (BCP). Dopo al caratterizzazione della resina epossidica modificata, è stata utilizzata come matrice con fibre di basalto per realizzare laminati. Le proprietà termiche e meccaniche della matrice e dei laminati sono stati analizzate separatamente con misurazioni appropriate, in modo da poter effettuare un'indagine comparativa. Per studiare la morfologia della resina modificata, la frattografia della matrice e dei laminati è stata eseguita con SEM. La tenacità alla frattura della resina epossidica modificata si è dimostrata aumentata di un fattore quattro, rispetto ai campioni di matrice di resina pura. Anche la tenacità alla frattura dei laminati è aumentata dopo aver modificato la matrice con lo stesso copolimero a blocchi. Le modifiche della tenacità sono regolate dalla morfologia e dalla separazione di fase delle particelle nella resina epossidica indurita che avviene a causa dell'aggiunta di BCP. È stato dimostrato che i campioni con particelle più piccole e una densità maggiore per unità di area forniscono una maggiore tenacità.