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DOI : 10.2240/azojono0106

Carbonio Nanotubes/Gomma Naturale Nanocomposite della Multi-Parete

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

Presentato: 5 agosto 2005th

Inviato: 29 novembre 2005th

Argomenti Coperti

Estratto

Introduzione

Carbonio Nanotubes

Carbonio Nanotubes come Rinforzi in Materiali Compositi

Carbonio Multi-Murato a Nanocomposites Basato Nanotube in Questo Studio

Sperimentale

Dispersione di Nanotubes

Dissoluzione della Gomma

Mescolanza della Gomma con la Soluzione di Nanotube

Stampando e Provando Il Campione

Risultati e Discussione

Produzione di Multi Carbonio Nanotubes della Parete (MWCNTs)

Caratterizzazione di SEM

Caratterizzazione di TEM

Carbonio Nanotube/Gomma Naturale Nanocomposites

Osservazioni di TEM

Effetto di CNTs sul valore di Sforzo-tensione di Gomma Naturale

Effetto di CNTs sul modulo Di Young del CV 60 di SMR.

Effetto di CNTs sull'Assorbimento di Energia del CV 60 di SMR

Conclusione

Riconoscimento

Riferimenti

Dettagli del Contatto

Un metodo chimico di fluttuazione di applicazione a spruzzo del catalizzatore (FC-CVD) è stato destinato e da costruzione per produrre i nanotubes del carbonio della quantità e di alta qualità. I parametri progettuali gradiscono la portata dell'idrogeno; il tempo di reazione e la temperatura della reazione sono stati ottimizzati per produrre l'alti rendimento e purezza di Multi Carbonio Nanotubes della Parete (MWCNTs). Il Carbonio Multi-Murato Nanotubes (MWNTs) è stato usato per preparare i nanocomposites della gomma (NR) naturale. I Nostri primi sforzi per raggiungere i nanostructures nei nanocomposites di MWNTs/NR sono stati costituiti dal comprendere i nanotubes del carbonio in una soluzione del polimero e successivamente dall'evaporazione del solvente. Facendo Uso di questa tecnica, i nanotubes possono essere dispersi in modo omogeneo nella matrice di NR nel tentativo d'aumentare i beni meccanici di questi nanocomposites. I beni dei nanocomposites quali resistenza alla trazione, il modulo di tensione, l'allungamento a rottura e la durezza sono stati studiati. I risultati dei test Meccanici mostrano un aumento nel modulo iniziale per fino a 12 volte relativamente a NR puro. Oltre alla prova meccanica, lo stato della dispersione del MWNTs in NR è stato studiato da Microscopia Elettronica Di Trasmissione (TEM) per capire la morfologia del sistema risultante.

La Ricerca su nuova tecnologia dei materiali sta attirando l'attenzione degli studi dappertutto. Gli Sviluppi stanno facendi per migliorare i beni dei materiali ed anche per trovare i precursori alternativi che possono concedere i beni desiderabili sui materiali. Il Grande interesse ha sviluppato di recente nell'area dei materiali di carbonio nanostructured. I nanostructures del Carbonio sono essere di di considerevole importanza commerciale con interesse che cresce sempre più rapido durante la decade o così dalla scoperta di buckminsterfullerene, nanotubes del carbonio e nanofibers del carbonio.

Carbonio Nanotubes

I nanotubes del Carbonio (CNTs) presentano i beni meccanici, elettronici e magnetici unici, che li hanno indotti ampiamente ad essere studiati [1-3]. CNTs è probabilmente le più forti sostanze che esistano mai con una resistenza alla trazione maggior dell'acciaio, ma soltanto una sesta parte del peso dell'acciaio [4]. 1991) primi di Iijima (hanno scoperto i nanotubes del carbonio (CNTs) facendo uso del metodo di scarico di arco [5,6]. A Seguito di questa scoperta, una serie di progetti di ricerca scientifica sono stati iniziati e vari metodi sono stati usati per sintetizzare CNTs, vale a dire, lo scarico di arco, la vaporizzazione del laser [7] e l'applicazione a spruzzo chimica catalitica degli idrocarburi [8-10]. Da carbonio-carbonio che le obbligazioni covalenti sono una dei più forti in natura, una struttura basata su una disposizione perfetta di queste obbligazioni orientate lungo l'asse dei nanotubes produrrebbe un materiale eccessivamente forte. Nanotubes è forti e strutture resilienti che possono essere piegate ed allungate nelle forme senza cedimento strutturale catastrofico nel nanotube [11, 12]. Il rivale di resistenza alla trazione e del modulo Di Young che del diamante (1 Pascal e ~200 Giga Pascal Tera, rispettivamente) [13].

Carbonio Nanotubes come Rinforzi in Materiali Compositi

Questi beni fantastici di concentrazione meccanica permettono che queste strutture siano usate come materiali rinforzanti possibili. Appena come la tecnologia corrente della fibra del carbonio, questi nanotubes rinforzano permetterebbero i materiali molto forti e leggeri da produrre. Questi beni di CNTs hanno attirato l'attenzione degli scienziati dentro dappertutto perché la loro alta abilità per l'assorbimento del caricamento che si applica ai materiali del nanocomposite [11-13].

Carbonio Multi-Murato a Nanocomposites Basato Nanotube in Questo Studio

i nanotubes Multi-Murati del carbonio (MWNTs) saranno usati per preparare i nanocomposites della gomma (NR) naturale. Il Nostro primo sforzo per raggiungere i nanostructures nei nanocomposites di MWNTs/NR sarà costituito dal comprendere i nanotubes in una soluzione del polimero e successivamente dall'evaporazione del solvente. Facendo Uso di questa tecnica, i nanotubes saranno dispersi in modo omogeneo nella matrice di NR nel tentativo d'aumentare i beni meccanici di questi nanocomposites. I beni dei compositi quali resistenza alla trazione, il modulo di tensione e l'allungamento a rottura sono stati studiati.

Sperimentale

Il reattore di FC-CVD è stato destinato per produrre CNF & CNT. La produzione del nanotube del carbonio nanofibers/nel lavoro attuale è stata condotta in un reattore tubolare orizzontale. Il reattore orizzontale è un tubo del quarzo di 50 millimetri di diametro e di 900 millimetri di lunghezza, riscaldato dall'elemento riscaldante del carburo di silicio. Due boccette coniche connesse l'un l'altro con un tubo di plastica isolato, uno di loro per la sorgente dell'idrocarburo ed altro quello per la sorgente del catalizzatore sono state collocate prima del reattore tubolare. Sono state connesse al reattore con un di acciaio inossidabile rubano la conduttura. La boccetta, che contiene il catalizzatore, è stata collocata su una mensola del camino del riscaldamento con un regolatore di temperatura. Due tipi di gas sono stati utilizzati in questo sistema, l'idrogeno è stato usato mentre un gas di reazione e l'argon per che scossalina l'aria dal sistema ed entrambi sono stati gestiti da un misuratore di portata. Un condensatore è stato collocato dopo il reattore per raffreddare la temperatura dello sbocco del gas ed ha intrappolato i materiali secondo le indicazioni delle rappresentazioni schematiche e della maschera nella figura 1.

AZoNano - Nanotecnologia - Rappresentazione schematica di FC-CVD modificato.

Rappresentazione schematica di FC-CVD modificato.

I nanotubes del carbonio si sono aggiunti a gomma naturale come riporto. La gomma naturale, che è stata utilizzata in questo studio, è una Viscosità Costante Di Gomma Malese Standard 60 (CV 60 di SMR). Il preparato dei nanocomposites è stato effettuato usando un metodo solvente della colata facendo uso di toluene come solvente. Gli importi aggiunti dei nanotubes del carbonio erano di 1, 3, 5, 7 e 10 WT % di 10 grammi del peso totale.

Il trattamento di fabbricazione la gomma naturale/nanotubes come materiale del nanompcosite si è diviso nei quattro trattamenti seguenti.

Dispersione di Nanotubes

Questa fase comprende la dissoluzione/dispersione di CNTs in un solvente (in questo caso, toluene) per districare i nanotubes che tendono tipicamente ad aderire insieme e formare i masselli, che diventano molto difficili da elaborare. Per questo, una determinata quantità di nanotubes del carbonio o i nanofibers si è aggiunto ad una quantità specifica di soluzione del toluene dopo con attenzione la pesatura (per mantenere un rapporto di peso specifico dei nanotubes nella soluzione). Questa soluzione più ulteriormente è stata sonicata facendo uso di un sonicator meccanico della sonda (Branson più sonifier), capace di vibrazione alle frequenze ultrasoniche per indurre una dispersione efficiente dei nanotubes o dei nanofibers. Per questo studio, le soluzioni differenti di CNT sono state preparate (contenendo CNTs in vari rapporti di peso):

i) 1 WT % CNTs che contiene in 10ml della soluzione del toluene

ii) 3 WT % CNTs in 10ml della soluzione del toluene

iii) 5 WT % di CNTs in 10ml della soluzione del toluene

iv) 7 WT % CNTs in 10ml della soluzione del toluene

v) 10 WT % CNTs in 10ml della soluzione del toluene.

Dissoluzione della Gomma

Questa fase comprende la dissoluzione della Gomma in un solvente organico adatto (toluene). Una quantità specifica di gomma (in questo caso, 10 gms) pesata facendo uso di un bilanciamento si è aggiunta ad una determinata quantità di solvente organico (500 ml di toluene) quindi che mantiene un rapporto di peso di gomma desiderato. Questa miscela è stata mescolata e tenuto stata per determinata durata di tempo finché la gomma non fosse dissolta costante nel solvente.

Mescolanza della Gomma con la Soluzione di Nanotube

Ciò è la tappa finale nel trattamento del preparato della colata e basicamente comprende la mescolanza accurata delle soluzioni pronte nella prima e nelle seconde tappe, con conseguente soluzione che consiste di buona miscela dei nanotubes nella gomma.

Stampando e Provando Il Campione

Il materiale del nancomposite (gomma con CNTs) è stato stampato facendo uso di pressa a caldo e incide le forme standard. I campioni poi sono stati caratterizzati ed i beni meccanici hanno misurato.

Risultati e Discussione

Produzione di Multi Carbonio Nanotubes della Parete (MWCNTs)

In questo lavoro di ricerca, MWCNTs è stato prodotto usando l'applicazione a spruzzo chimica di fluttuazione del catalizzatore (FC-CVD). Per produrre questi materiali di carbonio, gli atomi di carbonio saldano insieme in presenza del catalizzatore del ferro (Tecnico Di Assistenza).

Il catalizzatore del ferro (Tecnico Di Assistenza), nel modulo della particella è stato ottenuto dalla decomposizione del ferrocene. Gli atomi di carbonio prodotti dalla criccatura del benzene CH66 hanno servito da materie prime. Il prodotto è stato raccolto dalla parete del reattore e delle barche ceramiche, che sono stati collocati al centro della camera della reazione. Lo studio sugli effetti di ogni parametro chiave sul rendimento, la purezza, il diametro medio e la distribuzione del materiale di carbonio sono discussi, comunque maggior è stato messo in evidenza CNTs ed in misura inferiore CNFs a causa della loro importanza industriale e più ampia applicabilità. Gli stati di produzione di CNTs puro sono stati fissati alla temperatura 850°C della reazione, alla portata dell'idrogeno 300 ml/min ed al tempo di reazione 45min. I diametri del CNTs sono stati variati da 2 nanometro a 30 nanometro e la lunghezza media era a µm 70.

Caratterizzazione di SEM

I nanotubes risultanti del carbonio sono stati caratterizzati estesamente facendo uso di SEM. Figura 1 immagini tipiche di SEM di manifestazioni dei nanotubes del carbonio. L'elevata purezza, schiera del nanotube del carbonio è stata osservata nella figura 1. L'osservazione di SEM indica che questi nanotubes del carbonio sono dieci dei micron di lunghezza (fino a 50 micron) con i diametri costanti. La morfologia in serie dei nanotubes lunghi del carbonio è pellicola come ed orientato. Tuttavia, le immagini indicano che i prodotti sono puliti eccezione fatta per alcune impurità di nanoparticella.

AZoNano - Nanotecnologia - Immagini di SEM della temperatura 850°C di reazione dei nanotubes del carbonio, della portata dell'idrogeno 300 ml/min e del tempo di reazione 45min.

AZoNano - Nanotecnologia - Immagini di SEM della temperatura 850°C di reazione dei nanotubes del carbonio, della portata dell'idrogeno 300 ml/min e del tempo di reazione 45min.

Immagini di SEM della temperatura 850°C di reazione dei nanotubes del carbonio, della portata dell'idrogeno 300 ml/min e del tempo di reazione 45min.

Caratterizzazione di TEM

TEM è stato effettuato per caratterizzare la struttura dei nanotubes (Figura 2). Per preparare i campioni di TEM, un certo alcool è stato caduto sulla pellicola dei nanotubes, quindi, queste pellicole sono state trasferite con un paio delle pinzette ad una griglia di rame carbonio-rivestita.

Le immagini di TEM dei nanotubes sono presentate nella figura 3 (a). È ovvia, dalle immagini che tutti i nanotubes sono vuoti e tubolari nella forma. In alcune delle immagini, le particelle del catalizzatore possono essere vedute dentro i nanotubes. Le immagini di TEM indicano che i nanotubes sono elevata purezza, con distribuzione costante del diametro e non contengono deformità nella struttura. Mentre figura 3 (b) mostra il Microscopio Elettronico Di alta risoluzione della Trasmissione (HRTEM) dei nanotubes del carbonio. Indica che una struttura cristallina altamente ordinata di CNT è presente. Le chiare frange delle lamiere sottili grafitiche sono separate bene da 0,34 nanometri e sono state allineate rispetto ad un angolo inclinato circa di 2° verso l'asse del tubo.

AZoNano - Nanotecnologia - immagini di TEM di CNTs a risoluzione Bassa

AZoNano - Nanotecnologia - immagini di TEM di CNTs all'Alta risoluzione.

Immagini di TEM di risoluzione Bassa di CNTs (a) (b) Alta risoluzione.

Carbonio Nanotube/Gomma Naturale Nanocomposites

In questo lavoro di ricerca, i nanotubes del carbonio sono stati impiegati poichè un nano-rinforzo dell'interfaccia in un carbonio commerciale avanzato/in un composito di gomma ed in un questo è la prima volta tale lavoro è stato riferito. Le previsioni Teoriche dei beni meccanici dei nanotubes del carbonio come precedentemente descritto, in particolare le loro alte concentrazioni prevedute (dell'ordine di 60 GPa) e moduli (~1 TPa), rendono loro i candidati attraenti come un materiale di riporto di rinforzo in polimero ha basato i compositi strutturali. Il lavoro sperimentale Iniziale su CNT-NR nanotube-di rinforzo carbonio ha dimostrato che grande aumenti di efficace modulo e la concentrazione può essere ottenuta con l'aggiunta delle piccole quantità di nanotubes del carbonio.

Osservazioni di TEM

La dispersione di CNTs nello SMR CV60 è stata caratterizzata dal usando la Microscopia Elettronica Di Trasmissione (TEM). Una sezione sottile di circa 100 nanometro è stata tagliata con un coltello del diamante a -120°C per osservare la dispersione di CNTs dentro la gomma. Nella la figura, 4 (a) brevi e CNTs lungo sono veduti. È stato indicato nella questa figura che il CNTs omogeneamente si distribuisce nella matrice di SMR CV60. Tuttavia, il CNTs è aperto ad entrambe le estremità durante la dispersione del CNTs nel toluene, facendo uso della vibrazione di frequenza ultrasonica e durante la mescolanza di CNTs nello SMR CV60 dallo stirring meccanico. La distanza fra il CNTs nella matrice è ampia e quella le fa orientate bene con poca interazione dell'interfaccia fra loro. La dimensione del CNTs nel TEM mostra il diametro variante da 2-20nm e la lunghezza variante, che possono essere brevi o lungamente. Figura 4 (b) mostra l'immagine dei 3 WT % CNTs, dispersa nella matrice, gli orientamenti del CNTs nello SMR CV60 erano diventato più di meno orientati e più casuali. La figura egualmente indica che il CNTs è aperto all'estremità. Figura 4 (c, la d ed e) mostra il CNTs nel CV 60 di SMR a 5, 7 e 10 WT % rispettivamente. Le figure egualmente indicano che l'orientamento del CNTs svolge un ruolo molto importante nella sollecitazione e nello sforzo della matrice. Un Altro fattore ha considerato importante sui beni meccanici è l'allungamento; se l'allungamento è alto la concentrazione del materiale aumenterà.

AZoNano - Nanotecnologia - immagine di TEM di CNTs in SMR CV60, 1 WT % di CNTs e 3 WT % di CNTs.

AZoNano - Nanotecnologia - immagine di TEM di CNTs in SMR CV60 a 5 WT % di CNTs ed a 7 WT % di CNTs.

AZoNano - Nanotecnologia - immagine di TEM di CNTs in SMR CV60 con 10 WT % di CNTs.

Immagine di TEM di CNTs in SMR CV60 (a) 1 WT % di CNTs (b) 3 WT % di CNTs (c) 5 WT % di CNTs (d) 7 WT % di CNTs e (e) 10 WT % di CNTs.

La curva di sforzo-tensione delle percentuali differenti del nanotube puro del carbonio (1, 3, 5, 7 e 10 WT % di CNTs) con SMR CV60 è presentata nella figura 5. La resistenza alla trazione aumenta radicalmente mentre la quantità di concentrazione di CNTs aumenta. La tendenza generale è che il livello di sforzo è aumentato tramite l'aggiunta di CNTs che svolge il ruolo del rinforzo. Da questi risultati, è dedotto che l'effetto rinforzante di CNTs è molto contrassegnato. Mentre il contenuto di CNT nella gomma aumenta, di sforzo del livello gli aumenti gradualmente ma allo stesso tempo lo sforzo dei nanocomposites diminuisce.

AZoNano - Nanotecnologia - Sforzo-tensione di SMR CV60 con la percentuale differente di CNTs.

sforzo-tensione di SMR CV60 con la percentuale differente di CNTs.

Il livello aumentato di sforzo era dovuto l'interazione fra il CNTs e la gomma. Una buona interfaccia fra il CNTs e la gomma è molto importante affinchè un materiale resista allo sforzo. Come precedentemente descritto CNTs è materiali estremamente forti confrontati ad altri tipi di riporti, così rendendo loro i buoni candidati come nanofillers. Nell'ambito del caricamento, la matrice distribuisce la forza al CNTs che portano la maggior parte del caricamento applicato.

Effetto di CNTs sul modulo Di Young del CV 60 di SMR.

Lo stesso fenomeno è stato osservato per il Modulo Di Young. Il modulo di Young dei compositi normalizzati con quello della matrice pura è presentato nella figura 6. Il risultato ha indicato che il Modulo dei Giovani è aumentato con un aumento nella quantità del CNTs nella formulazione. Tuttavia, a 1 e 3 WT % di CNTs, l'incremento del modulo non è alto quanto quello della resistenza alla trazione. Lo stesso valore del modulo e la resistenza alla trazione sono stati osservati a 5 WT % di CNTs. Mentre a 7 e 10 WT % il modulo era superiore alla resistenza alla trazione.

AZoNano - Nanotecnologia - Giovane Modulo di SMR CV60 alla percentuale differente di CNTs.

Giovane Modulo di SMR CV60 alla percentuale differente di CNTs.

Effetto di CNTs sull'Assorbimento di Energia del CV 60 di SMR

Figure 7 mostra la resistenza del nanocomposite e considera la quantità di energia richiesta per fratturare un materiale. La figura mostra quella, aumentando la quantità di CNTs nello SMR CV60 l'energia di assorbimento stata necessaria per fratturare gli aumenti materiali. Poiché la concentrazione è proporzionale alla forza stata necessaria per rompere il campione e lo sforzo è misurato nelle unità della distanza (cioè, la distanza il campione è allungata), quindi la concentrazione volte sforzo è proporzionale a forza volte la distanza che a sua volta uguaglia ad energia cioè:

Distanza = energia del × della forza del ~ di sforzo del × di Concentrazione

AZoNano - Nanotecnologia - Manifestazioni la resistenza come funzione del WT % di CNTs.

Mostra la resistenza come funzione del WT % di CNTs.

lo sforzo aumenta generalmente con la quantità di CNTs da 1-10 WT %. Ciò quindi implica un aumento nell'energia richiesta per fratturare il materiale. Tuttavia c'era una diminuzione irrilevante nello sforzo a 1 e 3 WT % che implicano che la duttilità virtualmente fosse conservata a queste percentuali. La diminuzione osservata nello sforzo come appare la figura da 5-10 WT % non ha effetto sulla concentrazione globale dei nanotubes del carbonio dovuto l'aumento molto più alto nella rigidezza. Secondo le indicazioni della figura l'energia di assorbimento alle manifestazioni di 1,3,5,7 e 10 WT % una tendenza generale di aumento nella rigidezza con aumento nell'energia, che è 0,24, 0,38, 4,7, 10 e 24 J ha confrontato rispettivamente al puro che è 0,12 J. Questo aumento può essere attribuito ai beni rinforzanti dei nanotubes del carbonio che a sua volta aumentano la concentrazione della gomma.

Conclusione

Riassumendo, abbiamo dimostrato il riuscito montaggio di nanocomposite che consiste della matrice della Gomma Naturale con i Multi nanotubes murati del carbonio da 1-10 WT % (MWCNTs). I nanotubes del Carbonio erano applicati per il nano-rinforzo dell'interfaccia in carbonio commerciale avanzato/in composito di gomma e questo è il primo tentativo che un tal lavoro è riferito. Il preparato dei nanocomposites è stato effettuato con un metodo solvente della colata facendo uso di toluene come solvente. È chiaro dalla figura che lo sforzo massimo di SMR CV60 puro è 0,2839 MPa. Quando 1wt % di CNTs si sono aggiunti alla gomma il livello di sforzo per il materiale del nanocomposite ha aumentato 0,2839 MPa - 0,56413 MPa. L'Aggiunta del WT % CNTs alla gomma naturale ha aumentato gradualmente il livello di sforzo secondo le indicazioni di figura 5. A 10 WT % di CNTs il valore di sforzo ottenuto ha raggiunto il MPa 2,55 che è 9 volte che di gomma naturale pura. Il risultato indica quello, aumentando la quantità di CNTs ha aggiunto nella gomma la duttilità in diminuzione ed il materiale diventa più forte e più duro ma allo stesso tempo più friabile. La chiara tendenza osservata qui è che poichè il caricamento del nanotube aumenta, il carico di sicurezza della fibra diminuisce. Egualmente indica che il più alto valore di sforzo è stato ottenuto per il nanocomposite a 1wt % del CNTs. Questo composito a questa percentuale è più duttile e più elastico confrontato ad altre percentuali di CNTs. Il valore di sforzo a 1wt % era quasi lo stesso di per gomma pura. Il valore Minimo di sforzo è stato ottenuto a 10 WT % di CNTs; il valore di sforzo in diminuzione quasi 2,5 volte i.e.2.94 ha confrontato a gomma pura che era 7,34.

Riconoscimento

Gli autori riconoscente riconoscono l'intensificazione nazionale della ricerca nei settori prioritari (IRPA) per il loro contributo finanziario di questa ricerca.

Riferimenti

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Muataz Ali Atieh
Dipartimento dell'Università Chimica ed Ambientale 43400, UPM, Serdang
La Malesia

motazali@hotmail.com

Nazlia Girun
Dipartimento dell'Università Chimica ed Ambientale 43400, UPM, Serdang
La Malesia

Fakhru'l-Razi Ahmadun
Dipartimento dell'Università Chimica ed Ambientale 43400, UPM, Serdang
La Malesia

Chuah Teong Guan
Dipartimento dell'Università Chimica ed Ambientale 43400, UPM, Serdang
La Malesia

EL-Sadig Mahdi
Dipartimento dell'Università Malesia 43400, UPM, Serdang di Assistenza Tecnica Aerospaziale
La Malesia

Dayang Radia Baik
Dipartimento dell'Università Chimica ed Ambientale 43400, UPM, Serdang
La Malesia

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

Last Update: 13. June 2013 06:42

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