De Koolstof Nanotubes van de multi-muur/Natuurlijk Rubber Nanocomposite

De Koolstof nanotubes (CNTs) stelt unieke mechanische, elektronische en magnetische eigenschappen tentoon, die hen om wijd hebben veroorzaakt worden bestudeerd [1-3]. CNTs is waarschijnlijk de sterkste substanties die ooit met een treksterkte groter dan staal, maar slechts één zesde het gewicht van staal zullen bestaan [4]. Eerste van Iijima (1991) ontdekte koolstof nanotubes (CNTs) gebruikend de methode van de booglossing [5.6]. Na deze ontdekking, zijn een aantal wetenschappelijke onderzoekprojecten in werking gesteld en een verscheidenheid van methodes zijn gebruikt om CNTs samen te stellen, namelijk, booglossing, laserverdamping [7] en katalytisch chemische dampdeposito van koolwaterstoffen [8-10]. Aangezien de koolstof-koolstof covalente die banden één van sterkst in aard zijn, zou een structuur op een perfecte regeling van deze die banden wordt gebaseerd langs de as van nanotubes worden georiënteerd een bijzonder sterk materiaal produceren. Nanotubes is sterke en veerkrachtige structuren die kunnen in vormen zonder catastrofale structurele mislukking in nanotube [11, 12] worden gebogen en worden uitgerekt. De rivaliserende modulus en de treksterkte van de Jongelui dat van diamant (1 Tera Pascal en ~200 Giga Pascal, respectievelijk) [13].

Dit fantastische bezit van mechanische sterkte laat deze structuren toe om als mogelijke het versterken materialen worden gebruikt. Enkel als de huidige technologie van de koolstofvezel, deze nanotubes zouden toelaten zeer sterke en lichte materialen versterken om worden geproduceerd. Deze eigenschappen van CNTs trokken de aandacht van wetenschappers in helemaal over de wereld aan omdat hun hoge capaciteit voor het absorberen van de lading die wordt toegepast op nanocompositematerialen [11-13].

De multi-Ommuurde koolstof nanotubes (MWNTs) zal worden gebruikt om natuurlijk rubber voor te bereiden (NR) nanocomposites. Onze eerste inspanning om nanostructures in MWNTs/NR te bereiken nanocomposites zal worden gevormd door nanotubes in een polymeeroplossing op te nemen en later het oplosmiddel te verdampen. Het Gebruiken van deze techniek, nanotubes zal homogeen in de matrijs worden verspreid NR in een poging om de mechanische eigenschappen van deze nanocomposites te verhogen. De eigenschappen van de samenstellingen zoals treksterkte, trekmodulus en verlenging bij onderbreking werden bestudeerd.

De reactor fc-CVD is ontworpen om CNF & CNT te produceren. De productie van koolstof nanofibers/nanotube in het huidige werk is geleid in een horizontale tubulaire reactor. De horizontale reactor is een kwartsbuis van 50 mm in diameter en 900 die mm in lengte, door siliciumcarbide het verwarmen element wordt verwarmd. Twee kegeldieflessen aan elkaar met een geïsoleerde plastic buis, één van hen voor de koolwaterstofbron en andere voor de katalysatorbron worden aangesloten werden geplaatst vóór de tubulaire reactor. Zij werden verbonden met de reactor door roestvrij stelen pijp. De fles, die de katalysator bevat, werd geplaatst op een het verwarmen afdekplaat met een temperatuurcontrolemechanisme. Twee types van gassen werden gebruikt in dit systeem, werd de waterstof gebruikt als reagerend gas en argon voor het opvlammen van de lucht van het systeem, en beiden werden gecontroleerd door een stroommeter. Één condensator werd geplaatst na de reactor om de temperatuur van de gasafzet te bedaren en ving materialen zoals aangetoond in de schematische diagrammen en beeld in figuur 1.

Het proces om natuurlijk die rubber/nanotubes als nanompcosite materiaal te maken in de vier volgende processen wordt verdeeld.

Deze fase impliceert de ontbinding/de verspreiding van CNTs in een oplosmiddel (in dit geval, tolueen) om nanotubes te ontwarren die typisch zich samen neigen vast te klampen en stukken te vormen, die zeer moeilijk worden te verwerken. Voor dit, werd een bepaalde hoeveelheid koolstof nanotubes of nanofibers toegevoegd aan een specifieke hoeveelheid tolueenoplossing na zorgvuldig het wegen (om een specifieke gewichtsverhouding van nanotubes in de oplossing te handhaven). Deze oplossing werd verder gesonoriseerd gebruikend een mechanische sondesonicator (meer sonifier Branson), geschikt om bij ultrasone frequenties te trillen om een efficiënte verspreiding van nanotubes of nanofibers te veroorzaken. Voor deze studie, werden de verschillende oplossingen CNT voorbereid (bevattend CNTs in diverse gewichtsverhoudingen):

I) 1 % gew. CNTs die in 10ml van tolueenoplossing bevatten

ii) 3 % gew. CNTs in 10ml tolueenoplossing

iii) 5 % gew. van CNTs in 10ml van tolueenoplossing

iv) 7 % gew. CNTs in 10ml tolueenoplossing

v) 10 % gew. CNTs in 10ml tolueenoplossing.

Dit stadium impliceert de ontbinding van het Rubber in een geschikt organisch oplosmiddel (tolueen). Een specifieke gewogen hoeveelheid rubber (in dit geval, 10 gms werd) gebruikend een saldo toegevoegd aan een bepaalde hoeveelheid van organisch oplosmiddel (500 ml tolueen) daardoor handhavend een gewenste rubbergewichtsverhouding. Dit mengsel werd bewogen en werd gehouden voor bepaalde die duur van tijd tot het rubber uniform in het oplosmiddel wordt opgelost werd.

Dit is de definitieve stap in het proces van de smeltingsvoorbereiding en impliceert zich fundamenteel het grondige die mengen van de oplossingen in de eerste en tweede stadia worden voorbereid, die in een oplossing resulteren die uit een goed mengsel van nanotubes in het rubber bestaat.

Het nancompositemateriaal (rubber met CNTs) werd gedrukt gebruikend hete pers en besnoeiing in standaardvormen. De steekproeven waren dan gekenmerkte en mechanische gemeten eigenschappen.

In dit onderzoekswerk, werd MWCNTs geproduceerd door het drijven het deposito van de katalysator chemische damp te gebruiken (fc-CVD). Om deze koolstofmaterialen, de band van koolstofatomen in aanwezigheid van ijzer (Fe) katalysator samen te produceren.

De ijzer (Fe) katalysator, in deeltjesvorm werd verkregen uit decompositie van ferrocene. De koolstofatomen uit het barsten van benzeen CH worden geproduceerd₆₆ dienden als grondstoffen die. Het product werd bijeengezocht uit de muur van de reactor en de ceramische boten, die werden geplaatst op het centrum van de reactiekamer. De studie van de gevolgen van elke zeer belangrijke parameter voor de opbrengst, de zuiverheid, de gemiddelde diameter en de distributie van het koolstofmateriaal worden besproken, nochtans werd de grotere nadruk gelegd op CNTs en in mindere mate CNFs wegens hun industrieel belang en bredere toepasselijkheid. De productievoorwaarden van zuivere CNTs zijn bevestigd in reactietemperatuur 850°C, tarief van de waterstofstroom 300 ml/min en reactietijd 45min. De diameters van CNTs werden gevarieerd van 2 NM aan 30 NM en de gemiddelde lengte bedroeg 70 µm.

De resulterende koolstof werd nanotubes gekenmerkt uitgebreid gebruikend SEM. Figuur 1 toont de typische beelden van SEM van koolstof nanotubes. De Hoge zuiverheid, koolstof nanotube serie werd waargenomen in figuur 1. De observatie van SEM toont aan dat deze koolstof nanotubes tientallen microns lang (tot 50 micron) met eenvormige diameters is. De bulkmorfologie van de lange koolstof nanotubes is film als en georiënteerd. Nochtans, wijzen de beelden erop dat de producten behalve sommige nanoparticleonzuiverheden schoon zijn.

TEM werd uitgevoerd om de structuur van nanotubes (Figuur 2) te kenmerken. Steekproeven voorbereiden TEM, werd wat alcohol gelaten vallen op de nanotubesfilm, dan, deze films werd overgebracht met een paar pincet naar een koolstof-met een laag bedekt kopernet.

De beelden TEM van nanotubes worden voorgesteld in figuur 3 (a). Het is duidelijk, van de beelden dat alle nanotubes in vorm hol en tubulair zijn. In enkele beelden, kunnen de katalysatordeeltjes binnen nanotubes worden gezien. De beelden TEM wijzen erop dat nanotubes hoge zuiverheid, met eenvormige diameterdistributie zijn en geen misvorming in de structuur bevatten. Terwijl figuur 3 (B) de Elektronenmicroscoop van de Transmissie van de Hoge Resolutie Van (HRTEM) de koolstof nanotubes toont. Het toont aan dat een hoogst bevolen kristallijne structuur van CNT aanwezig is. De duidelijke randen van grafietbladen worden goed gescheiden door 0.34 NM en gericht op een overgehelde hoek van ongeveer 2° naar de buisas.

In dit onderzoekswerk, werd de koolstof nanotubes aangewend als interface nano-versterking in een geavanceerde commerciële koolstof/rubber samengesteld en dit is de eerste keer dergelijk werk is gemeld. De Theoretische voorspellingen van de mechanische eigenschappen van koolstof nanotubes zoals hierboven beschreven, in het bijzonder hun voorspelde hoge sterke punten (van ongeveer 60 GPa) en modules (~1 TPa), maken tot hen aantrekkelijke kandidaten als materiaal van de versterkingsvuller in polymeer gebaseerde structurele samenstellingen. Het Aanvankelijke experimentele werk aangaande koolstof nanotube-versterkte cnt-NR heeft aangetoond dat de grote verhoging van efficiënte modulus en sterkte met de toevoeging van kleine hoeveelheden koolstof kan worden verkregen nanotubes.

De verspreiding van CNTs in SMR CV60 werd gekenmerkt door de Elektronenmicroscopie van de Transmissie te gebruiken (TEM). Een dunne sectie van ongeveer 100 NM werd gesneden met een diamantmes bij -120°C om de verspreiding van CNTs binnen het rubber waar te nemen. In cijfer, worden korte 4 (a) en lange CNTs gezien. Men toonde in dit cijfer dat CNTs homogenously in de CV60 matrijs SMR wordt verdeeld. Nochtans, is CNTs open op beide einden tijdens de verspreiding van CNTs in het tolueen, die ultrasone frequentietrilling gebruiken en tijdens zich het mengen van CNTs in SMR CV60 door mechanische te bewegen. De afstand tussen CNTs in de matrijs is breed en dat maakt hen goed met weinig interfaceinteractie georiënteerd tussen hen. De grootte van CNTs in TEM toont variërende diameter van 220nm en variërende lengte, die of plotseling of lang kunnen zijn. Figuur 4 (B) toont het beeld van 3 die % gew. CNTs, in de matrijs wordt verspreid, waren de richtlijnen van CNTs in SMR CV60 minder georiënteerd en willekeuriger geworden. Het cijfer toont ook aan dat CNTs aan het eind open is. Figuur 4 (c, D en e) toont CNTs in SMR CV 60 bij 5, 7, en 10 respectievelijk % gew. De cijfers wijzen ook erop dat de richtlijn van CNTs een zeer belangrijke rol in de spanning en de spanning van de matrijs speelt. Een Andere factor van belang geacht op de mechanische eigenschappen is de aspectverhouding; als de aspectverhouding hoog is zal de sterkte van het materiaal stijgen.

De stress-strain kromme van verschillende percentages van zuivere koolstof nanotube (1, 3, 5, 7 en 10 % gew. van CNTs) wordt met SMR CV60 voorgesteld in figuur 5. De treksterkte stijgt radicaal aangezien de hoeveelheid concentratie CNTs stijgt. De algemene tendens is dat het spanningsniveau wordt verhoogd met de toevoeging van CNTs die de rol van versterking speelt. Van deze resultaten, leidt men af dat het versterkende effect van CNTs zeer duidelijk is. Aangezien de inhoud CNT in het rubber stijgt, vermindert de verhogingen van het spanningsniveau geleidelijk aan maar tezelfdertijd de spanning van nanocomposites.

Het verhoogde niveau van spanning was toe te schrijven aan de interactie tussen CNTs en het rubber. Een goede interface tussen CNTs en het rubber is zeer belangrijk voor een materiaal om de spanning te weerstaan. Zoals hierboven beschreven is CNTs uiterst sterke materialen in vergelijking met andere types van vullers, waarbij tot hen wordt gemaakt goede kandidaten als nanofillers. Onder lading, verdeelt de matrijs de kracht aan CNTs wat het grootste deel van de toegepaste lading dragen.

Het zelfde fenomeen werd waargenomen voor de Modulus van Jongelui. De modulus van de jongelui van de samenstellingen met dat van de zuivere matrijs worden genormaliseerd wordt voorgesteld in figuur 6 die. Het resultaat wees erop dat de Modulus Youngs met een verhoging van het bedrag van CNTs in de formulering steeg. Nochtans, bij 1 en 3 % gew. van CNTs, is de toename van de modulus niet zo hoog zoals dat van de treksterkte. De zelfde waarde van de modulus en de treksterkte werden waargenomen bij 5 % gew. van CNTs. Terwijl bij 7 en 10 % gew. de modulus hoger was dan de treksterkte.

Figuren 7 toont de hardheid van nanocomposite en overweegt de hoeveelheid energie wordt vereist om een materiaal te breken dat. Het cijfer toont aan dat, door de hoeveelheid CNTs in SMR te verhogen CV60 de energie van absorptie de materiële verhogingen moest breken. Aangezien de sterkte aan de kracht nodig evenredig is om de steekproef te breken, en de spanning in eenheden van afstand (d.w.z., wordt de afstand de steekproef uitgerekt) wordt gemeten, dan is de spanning van sterktetijden evenredig aan de afstand van krachttijden die beurtelings aan energie d.w.z. evenaart:

De afstand van de de spannings~ kracht × van de Sterkte × = energie

Samengevat, hebben wij de succesvolle vervaardiging van nanocomposite aangetoond die uit de matrijs van het Natuurlijke Rubber met 1-10 % gew. Multi bestaat ommuurde koolstof nanotubes (MWCNTs). De Koolstof werd nanotubes toegepast voor interface nano-versterking in geavanceerde commerciële koolstof/rubber samengesteld en dit is de eerste poging zulk een werk wordt gemeld. De voorbereiding van nanocomposites werd uitgevoerd door een oplosbare het gieten methode gebruikend tolueen als oplosmiddel. Het is duidelijk van het cijfer dat de maximumspanning van zuivere SMR CV60 0.2839 MPa is. Toen 1wt % van CNTs aan het rubber werden toegevoegd steeg het spanningsniveau voor het nanocompositemateriaal van 0.2839 MPa tot 0.56413 MPa. De Toevoeging van % gew. CNTs aan het natuurlijke rubber verhoogde geleidelijk aan het spanningsniveau zoals aangetoond in figuur 5. Bij 10 % gew. van CNTs bereikte de verkregen spanningswaarde MPa 2.55 die 9 keer dat van zuiver natuurlijk rubber is. Het resultaat wijst erop dat, door de hoeveelheid CNTs te verhogen in het rubber wordt toegevoegd worden de verminderde rekbaarheid en het materiaal dat sterker en taaier maar tezelfdertijd brosser. De duidelijke hier waargenomen tendens is dat als nanotube lading, de dalingen van de vezel brekende spanning stijgt. Het toont ook aan dat de hoogste spanningswaarde voor nanocomposite in 1wt % van CNTs werd verkregen. Deze samenstelling bij dit percentage is kneedbaarder en elastischer in vergelijking met andere percentages van CNTs. De spanningswaarde in 1wt % was bijna het zelfde als voor zuiver rubber. De Minimum spanningswaarde werd verkregen bij 10 % gew. van CNTs; de spanningswaarde verminderde bijna 2.5 keer i.e.2.94 in vergelijking met zuiver rubber dat 7.34 was.

De auteurs erkennen met dank de nationale intensivering van onderzoek op prioriteitskwesties (IRPA) voor hun financiële steun van dit onderzoek.

    Mechanismen van Qian, van D., van Dickey, van E.G., van Andrews, van R., van Rantell, van T., de „van de overdracht van de Lading en van de misvorming in de samenstellingen van het koolstof nanotube-polystyreen“. Appl. Phys. Lett. 76, 2868-2870 (2000).