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DOI : 10.2240/azojono0106

Nanotubes de Carbone de Multi-Paroi/Caoutchouc Naturel Nanocomposite

Muataz Ali Atieh, Nazlia Girun, Fakhru'l-Razi Ahmadun, Chuah Teong Guan, EL-Sadig Mahdi et Dayang Radia Baik

Soumis : Le 5 août 2005th

Posté : Le 29 novembre 2005th

Sujets Couverts

Résumé

Introduction

Nanotubes de Carbone

Nanotubes de Carbone comme Renforcements dans des Matériaux Composites

Carbone Multi-Muré Nanocomposites Nanotube-Basé dans Cette Étude

Expérimental

Dispersion des Nanotubes

Dissolution du Caoutchouc

Mélange du Caoutchouc à la Solution de Nanotube

Appuyant et Testant L'Échantillon

Résultats et Discussion

Production des Nanotubes Multi de Carbone de Paroi (MWCNTs)

Caractérisation de SEM

Caractérisation de TEM

Nanotube de Carbone/Caoutchouc Naturel Nanocomposites

Observations de TEM

Effet de CNTs sur la valeur de Contrainte-tension du Caoutchouc Naturel

Effet de CNTs sur le module De Young de CV 60 de SMR.

Effet de CNTs sur l'Absorption d'Énergie de CV 60 de SMR

Conclusion

Remerciement

Références

Détails des Contacts

Une méthode flottante de la déposition en phase vapeur de catalyseur (FC-CVD) a été conçue et fabriquée pour produire des nanotubes de carbone de haute qualité et de quantité. Les paramètres de design aiment le débit d'hydrogène ; le temps de réaction et la température de réaction ont été optimisés pour produire le rendement et la pureté élevés des Nanotubes Multi de Carbone de Paroi (MWCNTs). Des Nanotubes Multi-Murés de Carbone (MWNTs) ont été employés pour préparer des nanocomposites (NR) du caoutchouc naturel. Nos premiers efforts pour réaliser des nanostructures dans des nanocomposites de MWNTs/NR ont été constitués en comportant des nanotubes de carbone dans une solution de polymère et en évaporant ultérieurement le solvant. Utilisant cette technique, des nanotubes peuvent être dispersés homogènement dans la modification de NR afin d'essayer d'augmenter les propriétés mécaniques de ces nanocomposites. Les propriétés des nanocomposites tels que la résistance à la traction, le module de tension, l'allongement à la rupture et la dureté ont été étudiées. Les résultats de test Mécaniques affichent une augmentation du module initial pendant jusqu'à 12 fois par rapport à NR pur. En plus du test mécanique, la condition de dispersion du MWNTs dans NR ont été étudiées par Microscopie Électronique de Boîte De Vitesses (TEM) afin de comprendre la morphologie du système donnant droit.

La Recherche sur la technologie des matériaux neuve attire l'attention des études partout dans le monde. Des Développements sont effectués pour améliorer les propriétés des matériaux et pour trouver également les précurseurs alternatifs qui peuvent accorder les propriétés désirables sur des matériaux. L'intérêt Grand a développé récemment dans la zone des matériaux de carbone nanostructured. Les nanostructures de Carbone sont devenir d'importance commerciale considérable avec l'intérêt s'élevant de plus en plus rapidement pendant la décennie ou ainsi depuis la découverte du buckminsterfullerene, des nanotubes de carbone, et des nanofibers de carbone.

Nanotubes de Carbone

Les nanotubes de Carbone (CNTs) présentent les seules propriétés mécaniques, électroniques et magnétiques, qui les ont causées d'être largement étudiées [1-3]. CNTs sont probablement les substances les plus intenses qui existeront jamais avec une résistance à la traction plus grande que l'acier, mais seulement un sixième du grammage d'acier [4]. 1991) premiers d'Iijima (ont découvert des nanotubes de carbone (CNTs) suivre la méthode de décharge en arc [5,6]. Après cette découverte, un certain nombre de projets de recherche scientifique ont été initiés et un grand choix de méthodes ont été employées pour synthétiser CNTs, à savoir, décharge en arc, vaporisation de laser [7] et déposition en phase vapeur catalytique des hydrocarbures [8-10]. Depuis le carbone-carbone les liaisons que covalentes sont une des plus intense en nature, une structure basée sur un arrangement parfait de ces obligations installées le long de l'axe des nanotubes produirait un matériau excessivement intense. Les Nanotubes sont des structures intenses et résilientes qui peuvent être courbées et étirées dans des formes sans défaillance de structure catastrophique dans le nanotube [11, 12]. Le module et le rival De Young de résistance à la traction qui du diamant (1 Pascal et ~200 Giga Pascal Tera, respectivement) [13].

Nanotubes de Carbone comme Renforcements dans des Matériaux Composites

Cette propriété fantastique de force mécanique permet à ces structures d'être utilisées en tant que matériaux de renforcement possibles. Juste comme la technologie actuelle de fibre de carbone, ces nanotubes renforcent permettraient les matériaux très intenses et légers à produire. Ces propriétés de CNTs ont attiré l'attention des scientifiques dedans partout dans le monde parce que leur capacité élevée pour absorber la charge qui est appliquée aux matériaux de nanocomposite [11-13].

Carbone Multi-Muré Nanocomposites Nanotube-Basé dans Cette Étude

des nanotubes Multi-Murés de carbone (MWNTs) seront employés pour préparer des nanocomposites (NR) du caoutchouc naturel. Notre premier effort pour réaliser des nanostructures dans des nanocomposites de MWNTs/NR sera constitué en comportant des nanotubes dans une solution de polymère et en évaporant ultérieurement le solvant. Utilisant cette technique, des nanotubes seront dispersés homogènement dans la modification de NR afin d'essayer d'augmenter les propriétés mécaniques de ces nanocomposites. Les propriétés des composés tels que la résistance à la traction, le module de tension et l'allongement à la rupture ont été étudiées.

Expérimental

Le réacteur de FC-CVD a été conçu pour produire CNF et CNT. La production du nanotube du carbone nanofibers/dans le travail actuel a été conduite dans un réacteur tubulaire horizontal. Le réacteur horizontal est un tube de quartz de 50 millimètres de diamètre et de 900 millimètres de longueur, passionné par l'élément de chauffe de carbure de silicium. Deux fioles coniques connectées entre eux à un tube en plastique isolé, à un d'entre eux pour la source d'hydrocarbure et l'autre pour la source de catalyseur ont été mises avant le réacteur tubulaire. Elles ont été connectées au réacteur par un inoxydable volent le tuyau. Le flacon, qui contient le catalyseur, a été mis sur un mantel de chauffage avec un Contrôleur de température. Deux types de gaz ont été utilisés dans ce système, l'hydrogène a été utilisé pendant qu'un gaz de réaction et l'argon pour flashant l'air du système, et chacun d'eux étaient réglés par un compteur de débit. Un réfrigérant a été mis après que le réacteur pour refroidir la température de prise de gaz et les matériaux enfermés suivant les indications des schémas de principe et de l'illustration sur le schéma 1.

AZoNano - Nanotechnologie - schéma de principe de FC-CVD modifié.

Schéma de principe de FC-CVD modifié.

Les nanotubes de carbone ont été ajoutés au caoutchouc naturel comme remplissage. Le caoutchouc naturel, qui a été utilisé dans cette étude, est une Viscosité Constante En Caoutchouc Malaisienne Normale 60 (CV 60 de SMR). La préparation des nanocomposites a été effectuée à l'aide d'une méthode dissolvante de bloc moulé utilisant le toluène comme solvant. Les quantités ajoutées des nanotubes de carbone étaient de 1, 3, 5, 7 et 10 % poids de 10 grammes de tout le grammage.

Le procédé d'effectuer le caoutchouc naturel/nanotubes comme matériau de nanompcosite s'est divisé en quatre procédés suivants.

Dispersion des Nanotubes

Cette phase comporte la dissolution/dispersion de CNTs dans un dissolvant (dans ce cas, toluène) afin de démêler les nanotubes qui tendent type à s'attacher ensemble et à former les morceaux, il devient très difficile traiter que. Pour ceci, une certaine quantité de nanotubes de carbone ou des nanofibers a été ajoutée à une quantité particulière de solution de toluène après avoir soigneusement pesé (afin de mettre à jour un taux de masse volumique des nanotubes dans la solution). Cette solution a été encore soniquée utilisant un sonicator mécanique de sonde (Branson sonifier), capable de la vibration aux ultrasons afin d'induire une dispersion efficace des nanotubes ou des nanofibers. Pour cette étude, différentes solutions de CNT ont été préparées (contenant CNTs dans taux de grammage variés) :

i) 1 % poids CNTs contenant dans 10ml de solution de toluène

ii) 3 % poids CNTs dans 10ml de solution de toluène

iii) 5 % poids de CNTs dans 10ml de solution de toluène

iv) 7 % poids CNTs dans 10ml de solution de toluène

v) 10 % poids CNTs dans 10ml de solution de toluène.

Dissolution du Caoutchouc

Ce stade concerne la dissolution du Caoutchouc dans un solvant organique adapté (toluène). Une quantité particulière de caoutchouc (dans ce cas, 10 gms) pesée utilisant un reste a été ajoutée à une certaine quantité du solvant organique (500 ml de toluène) mettant à jour de ce fait un taux de grammage en caoutchouc désiré. Ce mélange a été remué et maintenu pour certaine durée de temps jusqu'à ce que le caoutchouc soit devenu uniformément dissous dans le solvant.

Mélange du Caoutchouc à la Solution de Nanotube

C'est la phase finale dans le procédé de préparation de fonte et comporte fondamentalement le mélange complet des solutions préparées dans le premier et les secondes étapes, ayant pour résultat une solution qui se compose d'un bon mélange de nanotubes dans le caoutchouc.

Appuyant et Testant L'Échantillon

Le matériau de nancomposite (caoutchouc avec CNTs) a été appuyé utilisant la presse et la coupure chaudes dans des formes normales. Les échantillons ont été alors caractérisés et les propriétés mécaniques ont mesuré.

Résultats et Discussion

Production des Nanotubes Multi de Carbone de Paroi (MWCNTs)

Dans ce travail de recherches, MWCNTs ont été produits à l'aide de la déposition en phase vapeur de catalyseur flottant (FC-CVD). Pour produire ces matériaux de carbone, les atomes de carbone collent ensemble en présence du catalyseur du fer (Technicien).

Le catalyseur du fer (Technicien), sous la forme de particules a été obtenu à partir de la décomposition du ferrocene. Les atomes de carbone produits à partir de fêler du benzène CH66 ont servi de matières premières. Le produit a été rassemblé de la paroi du réacteur et des bateaux céramiques, qui ont été mis au centre de la cavité de réaction. L'étude des effets de chaque paramètre principal sur le rendement, la pureté, le diamètre moyen et la distribution du matériau de carbone sont discutés, toutefois l'accent plus grand ont été mis sur CNTs et dans une moindre mesure CNFs à cause de leur importance industrielle et possibilités d'application plus larges. Les conditions de production de CNTs pur ont été fixés à la température 850°C de réaction, au débit d'hydrogène 300 ml/min et au temps de réaction 45min. Les diamètres du CNTs ont été variés de 2 nanomètre à 30 nanomètre et la longueur moyenne était au µm 70.

Caractérisation de SEM

Les nanotubes résultants de carbone ont été caractérisés considérable utilisant le SEM. Le Schéma 1 images particulières des expositions SEM des nanotubes de carbone. On a observé la Grande pureté, alignement de nanotube de carbone sur le schéma 1. L'observation de SEM prouve que ces nanotubes de carbone sont des dizaines de microns long (jusqu'à 50 microns) avec les diamètres uniformes. La morphologie en vrac des longs nanotubes de carbone sont film comme et installé. Cependant, les images indiquent que les produits sont propres excepté quelques impuretés de nanoparticle.

AZoNano - Nanotechnologie - Images de SEM de la température 850°C de réaction de nanotubes de carbone, du débit d'hydrogène 300 ml/min et du temps de réaction 45min.

AZoNano - Nanotechnologie - Images de SEM de la température 850°C de réaction de nanotubes de carbone, du débit d'hydrogène 300 ml/min et du temps de réaction 45min.

Images de SEM de la température 850°C de réaction de nanotubes de carbone, du débit d'hydrogène 300 ml/min et du temps de réaction 45min.

Caractérisation de TEM

TEM a été effectué pour caractériser la structure des nanotubes (le Schéma 2). Pour préparer des échantillons de TEM, de l'alcool a été lâché sur le film de nanotubes, puis, ces films ont été transférés avec une paire de brucelles à un réseau de cuivre carbone-enduit.

Les images de TEM des nanotubes sont présentées sur le schéma 3 (a). Il est évident, des images que tous les nanotubes sont creux et tubulaires dans la forme. Dans certaines des images, des particules de catalyseur peuvent être vues à l'intérieur des nanotubes. Les images de TEM indiquent que les nanotubes sont grande pureté, avec la distribution uniforme de diamètre et ne contiennent aucun défaut de forme dans la structure. Tandis Que le schéma 3 (b) affiche le Microscope Électronique De haute résolution de Boîte De Vitesses (HRTEM) des nanotubes de carbone. Il prouve qu'une structure cristalline fortement commandée de CNT est présente. Les franges dégagées des feuilles graphitiques sont bien séparées par 0,34 nanomètres et alignées avec une cornière inclinée environ de 2° vers l'axe de tube.

AZoNano - Nanotechnologie - images de TEM de CNTs à À basse résolution

AZoNano - Nanotechnologie - images de TEM de CNTs à la Haute résolution.

Images de TEM de Haute résolution À basse résolution de CNTs (a) (b).

Nanotube de Carbone/Caoutchouc Naturel Nanocomposites

Dans ce travail de recherches, des nanotubes de carbone ont été utilisés car un nano-renforcement de surface adjacente dans un carbone commercial avancé/composé en caoutchouc et un ceci est la première fois un tel travail a été enregistré. Les prévisions Théoriques des propriétés mécaniques des nanotubes de carbone comme décrit ci-dessus, en particulier leurs hautes résistances prévues (de la commande de 60 GPa) et modules (~1 TPa), leur effectuent les candidats attirants comme matériau de remplissage de renforcement dans les composés structurels basés de polymère. Le travail expérimental Initial sur CNT-NR nanotube-renforcé par carbone a expliqué que grand augmentez dans le module pertinent et la force peut être obtenue en plus des petites quantités de nanotubes de carbone.

Observations de TEM

La dispersion de CNTs dans le SMR CV60 a été caractérisée à l'aide de la Microscopie Électronique de Boîte De Vitesses (TEM). Une partie mince environ de 100 nanomètre était coupure avec un couteau de diamant à -120°C pour observer la dispersion de CNTs à l'intérieur du caoutchouc. Dans le chiffre, 4 (a) CNTs court et long sont vus. On lui a affiché dans ce chiffre que le CNTs sont homogène distribués dans la modification de SMR CV60. Cependant, le CNTs sont ouvert aux deux extrémités pendant la dispersion du CNTs dans le toluène, utilisant la vibration d'ultrason et pendant le mélange de CNTs dans le SMR CV60 par le stirring mécanique. La distance entre le CNTs dans la modification est large et cela les effectue bien installées avec peu d'interaction de surface adjacente entre elles. La taille du CNTs dans le TEM affiche le diamètre variable de 2-20nm et la longueur variable, qui peuvent être courts ou longtemps. Le Schéma 4 (b) affiche l'image de 3 % poids CNTs, dispersée dans la modification, les orientations du CNTs dans le SMR CV60 étaient devenues moins installées et plus irrégulières. Le chiffre prouve également que le CNTs sont ouvert à l'extrémité. Le Schéma 4 (c, d et e) affiche le CNTs dans CV 60 de SMR à 5, 7, et 10 % poids respectivement. Les chiffres indiquent également que l'orientation du CNTs joue très un rôle majeur dans l'effort et la contrainte de la modification. Un Autre facteur a considéré important sur les propriétés mécaniques est le rapport hauteur/largeur ; si le rapport hauteur/largeur est élevé la force du matériau augmentera.

AZoNano - Nanotechnologie - image de TEM de CNTs dans SMR CV60, 1 % poids de CNTs et 3 % poids de CNTs.

AZoNano - Nanotechnologie - image de TEM de CNTs dans SMR CV60 à 5 % poids de CNTs et à 7 % poids de CNTs.

AZoNano - Nanotechnologie - image de TEM de CNTs dans SMR CV60 avec 10 % poids de CNTs.

Image de TEM de CNTs dans SMR CV60 (a) 1 % poids de CNTs (b) 3 % poids de CNTs (c) 5 % poids de CNTs (d) 7 % poids de CNTs et (e) 10 % poids de CNTs.

La courbure de contrainte-tension de différents pourcentages de nanotube pur de carbone (1, 3, 5, 7 et 10 % poids de CNTs) avec SMR CV60 est présentée sur le schéma 5. La résistance à la traction augmente radicalement à mesure que la quantité de concentration de CNTs augmente. La tendance générale est que le niveau de stress est augmenté par l'ajout de CNTs qui joue le rôle du renforcement. De ces résultats, on le déduit que l'effet de renforcement de CNTs est très marqué. À Mesure Que le teneur de CNT dans le caoutchouc augmente, de niveau de stress les augmentations graduellement mais en même temps la tension des nanocomposites diminue.

AZoNano - Nanotechnologie - Contrainte-tension de SMR CV60 avec le pourcentage différent de CNTs.

contrainte-tension de SMR CV60 avec le pourcentage différent de CNTs.

Le plus grand niveau du stress était dû à l'interaction entre le CNTs et le caoutchouc. Une bonne surface adjacente entre le CNTs et le caoutchouc est très importante pour qu'un matériau supporte le stress. Comme décrit ci-dessus CNTs sont les matériaux extrêmement intenses comparés à d'autres types de remplissages, de ce fait leur effectuant de bons candidats comme nanofillers. Sous la charge, la modification distribue la force au CNTs qui transportent la majeure partie de la charge appliquée.

Effet de CNTs sur le module De Young de CV 60 de SMR.

On a observé le même phénomène pour le Module De Young. Le module de Young des composés normalisés avec celui de la modification pure est présenté sur le schéma 6. Le résultat a indiqué que le Module de Jeunes a augmenté avec une augmentation de la quantité du CNTs dans la formulation. Cependant, à 1 et 3 % poids de CNTs, l'incrément du module n'est pas aussi élevé que celui de la résistance à la traction. On a observé la même valeur du module et la résistance à la traction à 5 % poids de CNTs. Tandis Qu'à 7 et 10 % poids le module était plus élevé que la résistance à la traction.

AZoNano - Nanotechnologie - Jeune Module de SMR CV60 au pourcentage différent de CNTs.

Jeune Module de SMR CV60 au pourcentage différent de CNTs.

Effet de CNTs sur l'Absorption d'Énergie de CV 60 de SMR

Les Schémas 7 affiche la dureté du nanocomposite et considère la quantité d'énergie exigée pour rompre un matériau. Le chiffre affiche cela, en augmentant la quantité de CNTs dans le SMR CV60 l'énergie de l'absorption requise pour rompre les augmentations matérielles. Puisque la force est proportionnelle à la force requise pour briser l'échantillon, et la tension est mesurée dans les ensembles de la distance (c.-à-d., la distance l'échantillon est étirée), puis la force fois la tension est proportionnelle à la force fois la distance qui égale consécutivement à l'énergie c.-à-d. :

Distance = énergie de × de force de ~ de tension de × de Force

AZoNano - Nanotechnologie - Expositions la dureté comme fonctionnement de % poids de CNTs.

Affiche la dureté comme fonctionnement de % poids de CNTs.

Généralement le stress augmente avec la quantité de CNTs de 1-10 % poids. Ceci implique pour cette raison une augmentation de l'énergie exigée pour rompre le matériau. Néanmoins il y avait une diminution non significative de tension à 1 et 3 % poids impliquant que la ductilité a été pratiquement préservée à ces pourcentages. La diminution observée de la tension représentée sur le chiffre de 5-10 % poids n'exerce aucun effet sur la force générale des nanotubes de carbone dus à l'augmentation beaucoup plus élevée de la raideur. Suivant les indications du chiffre l'énergie de l'absorption aux expositions de 1,3,5,7 et 10 % poids une tendance générale d'augmentation de la raideur avec l'augmentation de l'énergie, qui est 0,24, 0,38, 4,7, 10 et 24 J respectivement comparés au pur qui est 0,12 J. Cette augmentation peut être attribuée à la propriété de renforcement des nanotubes de carbone qui augmente consécutivement la force du caoutchouc.

Conclusion

En résumé, nous avons expliqué la fabrication réussie du nanocomposite se composant de la modification du Caoutchouc Naturel avec des nanotubes murés Multi de carbone de 1-10 % poids (MWCNTs). Les nanotubes de Carbone étaient appliqués pour le nano-renforcement de surface adjacente dans le carbone commercial avancé/composé en caoutchouc et c'est le premier essai qu'un tel travail est enregistré. La préparation des nanocomposites a été effectuée par une méthode dissolvante de bloc moulé utilisant le toluène comme solvant. Il est clair du chiffre que le stress maximum de SMR CV60 pur est 0,2839 Avions de patrouille maritime. Quand 1wt % de CNTs ont été ajoutés au caoutchouc le niveau de stress pour le matériau de nanocomposite a augmenté de 0,2839 Avions de patrouille maritime à 0,56413 Avions de patrouille maritime. L'Ajout de % poids CNTs au caoutchouc naturel a augmenté le niveau de stress graduellement suivant les indications du schéma 5. À 10 % poids de CNTs la valeur de stress obtenue a atteint l'Avion de patrouille maritime 2,55 qui est 9 fois qui du caoutchouc naturel pur. Le résultat indique cela, en augmentant la quantité de CNTs a ajouté dans le caoutchouc la ductilité diminuée et le matériau deviennent plus intense et plus dur mais en même temps plus fragile. La nette tendance observée ici est qu'à mesure que la charge de nanotube augmente, la fibre brisant la tension diminue. Elle prouve également que la valeur de tension la plus élevée a été obtenue pour le nanocomposite à 1wt % du CNTs. Ce composé à ce pourcentage est comparé plus étirable et plus élastique à d'autres pourcentages de CNTs. La valeur de tension à 1wt % était presque la même que pour le caoutchouc pur. La valeur Minimum de tension a été obtenue à 10 % poids de CNTs ; la valeur de tension a diminué presque 2,5 fois i.e.2.94 comparées au caoutchouc pur qui était 7,34.

Remerciement

Les auteurs reconnaissent avec reconnaissance l'intensification nationale de la recherche dans les zones prioritaires (IRPA) pour leur soutien financier de cette recherche.

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Muataz Ali Atieh
Service de l'Université Chimique et Environnementale 43400, UPM, Serdang
La Malaisie

motazali@hotmail.com

Nazlia Girun
Service de l'Université Chimique et Environnementale 43400, UPM, Serdang
La Malaisie

Fakhru'l-Razi Ahmadun
Service de l'Université Chimique et Environnementale 43400, UPM, Serdang
La Malaisie

Chuah Teong Guan
Service de l'Université Chimique et Environnementale 43400, UPM, Serdang
La Malaisie

EL-Sadig Mahdi
Service d'Université Malaisie 43400, UPM, Serdang de Bureau D'études Aérospatial
La Malaisie

Dayang Radia Baik
Service de l'Université Chimique et Environnementale 43400, UPM, Serdang
La Malaisie

Date Added: Nov 29, 2005 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 06:32

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