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DOI : 10.2240/azojono0106

Carbono Nanotubes/Borracha Natural Nanocomposite da Multi-Parede

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

Submetido: 5 de agosto de 2005th

Afixado: 29 de novembro de 2005th

Assuntos Cobertos

Sumário

Introdução

Carbono Nanotubes

Carbono Nanotubes como Reforços em Materiais Compostos

O Carbono Multi-Murado Nanotube-Baseou Nanocomposites nEste Estudo

Experimental

Dispersão de Nanotubes

Dissolução da Borracha

Mistura da Borracha com a Solução de Nanotube

Pressionando e Testando A Amostra

Resultados e Discussão

Produção de Multi Carbono Nanotubes da Parede (MWCNTs)

Caracterização de SEM

Caracterização de TEM

Carbono Nanotube/Borracha Natural Nanocomposites

Observações de TEM

Efeito de CNTs no Esforço - estique o valor da Borracha Natural

Efeito de CNTs no módulo Young do CV 60 de SMR.

Efeito de CNTs na Absorção de Energia do CV 60 de SMR

Conclusão

Reconhecimento

Referências

Detalhes do Contacto

Um método de flutuação do depósito de vapor químico do catalizador (FC-CVD) foi projectado e fabricado produzir os nanotubes de alta qualidade e da quantidade do carbono. Os parâmetros de projecto gostam do caudal do hidrogênio; o tempo de reacção e a temperatura da reacção foram aperfeiçoados para produzir o rendimento e a pureza altos do Multi Carbono Nanotubes da Parede (MWCNTs). O Carbono Multi-Murado Nanotubes (MWNTs) foi usado para preparar nanocomposites da borracha (NR) natural. Nossos primeiros esforços para conseguir nanostructures em nanocomposites de MWNTs/NR foram formados incorporando nanotubes do carbono em uma solução do polímero e subseqüentemente evaporando o solvente. Usando esta técnica, os nanotubes podem ser dispersados homogênea na matriz de NR na tentativa de aumentar as propriedades mecânicas destes nanocomposites. As propriedades dos nanocomposites tais como a resistência à tracção, o módulo elástico, o alongamento na ruptura e a dureza foram estudadas. Os resultados da análise Mecânicos mostram um aumento no módulo inicial por até 12 vezes com relação a NR puro. Além do que o teste mecânico, o estado da dispersão do MWNTs em NR foi estudado pela Microscopia de Elétron de Transmissão (TEM) a fim compreender a morfologia do sistema resultante.

Pesquise na tecnologia de materiais nova está atraindo a atenção dos estudos pelo mundo inteiro. As Revelações estão sendo feitas para melhorar as propriedades dos materiais e para encontrar igualmente os precursores alternativos que podem dar propriedades desejáveis em materiais. O Grande interesse tem-se tornado recentemente na área de materiais de carbono nanostructured. Os nanostructures do Carbono são acontecer com a importância comercial considerável com o interesse que cresce cada vez mais ràpida sobre a década ou assim desde a descoberta do buckminsterfullerene, nanotubes do carbono, e nanofibers do carbono.

Carbono Nanotubes

Os nanotubes do Carbono (CNTs) exibem as propriedades mecânicas, eletrônicas e magnéticas originais, que fizeram com que sejam estudadas extensamente [1-3]. CNTs é provavelmente as substâncias as mais fortes que existirão nunca com uma resistência à tracção maior do que o aço, mas somente uma - sixth o peso do aço [4]. 1991) primeiros de Iijima (descobriram nanotubes do carbono (CNTs) usando o método da descarga de arco [5,6]. Depois desta descoberta, um número de projectos de investigação científica foram iniciados e uma variedade de métodos foram usados para sintetizar CNTs, a saber, descarga de arco, vaporização do laser [7] e depósito de vapor químico catalítico dos hidrocarbonetos [8-10]. Desde o carbono-carbono que as ligações covalent são um do mais forte na natureza, uma estrutura baseada em um regime perfeito destas ligações orientadas ao longo da linha central dos nanotubes produziria um material excessivamente forte. Nanotubes é as estruturas fortes e resilientes que podem ser dobradas e esticado em formas sem falha estrutural catastrófica no nanotube [11, 12]. O rival Young do módulo e da resistência à tracção que do diamante (1 Pascal Tera e ~200 Giga Pascal, respectivamente) [13].

Carbono Nanotubes como Reforços em Materiais Compostos

Esta propriedade fantástica da força mecânica permite que estas estruturas sejam usadas como materiais de reforço possíveis. Apenas como a tecnologia actual da fibra do carbono, estes nanotubes reforçam permitiriam os materiais muito fortes e claros a ser produzidos. Estas propriedades de CNTs atraíram a atenção dos cientistas dentro pelo mundo inteiro porque sua capacidade alta para absorver a carga que é aplicada aos materiais do nanocomposite [11-13].

O Carbono Multi-Murado Nanotube-Baseou Nanocomposites nEste Estudo

os nanotubes Multi-Murados do carbono (MWNTs) serão usados para preparar nanocomposites da borracha (NR) natural. Nosso primeiro esforço para conseguir nanostructures em nanocomposites de MWNTs/NR será formado incorporando nanotubes em uma solução do polímero e subseqüentemente evaporando o solvente. Usando esta técnica, os nanotubes serão dispersados homogênea na matriz de NR na tentativa de aumentar as propriedades mecânicas destes nanocomposites. As propriedades dos compostos tais como a resistência à tracção, o módulo elástico e o alongamento na ruptura foram estudadas.

Experimental

O reactor de FC-CVD foi projectado produzir CNF & CNT. A produção de nanotube do carbono nanofibers/no trabalho actual foi conduzida em um reactor tubular horizontal. O reactor horizontal é uma câmara de ar de quartzo de 50 milímetros no diâmetro e de 900 milímetros de comprimento, caloroso pelo elemento de aquecimento do carboneto de silicone. Duas garrafas cónicas conectadas entre si com uma câmara de ar plástica isolada, um deles para a fonte do hidrocarboneto e outro para a fonte do catalizador foram colocadas antes do reactor tubular. Foram conectados ao reactor com um inoxidável roubam a tubulação. A garrafa, que contem o catalizador, foi colocada em uma cornija de lareira do aquecimento com um controlador de temperatura. Dois tipos de gáss foram usados neste sistema, o hidrogênio foi usado enquanto um gás de reacção e o argônio para que piscam o ar do sistema, e ambos eles foram controlados por um medidor de fluxo. Um condensador foi colocado depois que o reactor para refrigerar para baixo a temperatura da tomada do gás e os materiais prendidos em armadilha segundo as indicações dos diagramas esquemáticos e da imagem em figura 1.

AZoNano - Nanotecnologia - diagrama Esquemático de FC-CVD alterado.

Diagrama Esquemático de FC-CVD alterado.

Os nanotubes do carbono foram adicionados à borracha natural como um enchimento. A borracha natural, que foi usada neste estudo, é uma Viscosidade Constante De Borracha Malaia Padrão 60 (CV 60 de SMR). A preparação dos nanocomposites foi realizada usando um método solvente da carcaça usando o tolueno como um solvente. As quantidades adicionadas dos nanotubes do carbono eram 1, 3, 5, 7 e 10 WT % de 10 relvados do peso total.

O processo de fazer a borracha natural/nanotubes como o material do nanompcosite dividiu-se nos quatro processos de seguimento.

Dispersão de Nanotubes

Esta fase envolve a dissolução/dispersão de CNTs em um solvente (neste caso, tolueno) a fim deslindar os nanotubes que tendem tipicamente a se aderir junto e formar as protuberâncias, que se tornam muito difíceis de processar. Para isto, uma determinada quantidade de nanotubes do carbono ou os nanofibers foram adicionados a uma quantidade específica de solução do tolueno após com cuidado o peso (a fim manter uma relação de peso específico dos nanotubes na solução). Esta solução sonicated mais usando um sonicator mecânico da ponta de prova (Branson mais sonifier), capaz da vibração em freqüências ultra-sônicas a fim induzir uma dispersão eficiente dos nanotubes ou dos nanofibers. Para este estudo, as soluções diferentes de CNT foram preparadas (contendo CNTs em várias relações de peso):

i) 1 WT % CNTs que contem em 10ml da solução do tolueno

ii) 3 WT % CNTs em 10ml da solução do tolueno

iii) 5 WT % de CNTs em 10ml da solução do tolueno

iv) 7 WT % CNTs em 10ml da solução do tolueno

v) 10 WT % CNTs em 10ml da solução do tolueno.

Dissolução da Borracha

Esta fase envolve a dissolução da Borracha em um solvente orgânico apropriado (tolueno). Uma quantidade específica de borracha (neste caso, 10 gms) pesada usando um balanço foi adicionada a uma determinada quantidade do solvente orgânico (500 ml do tolueno) que mantem desse modo uma relação de peso de borracha desejada. Esta mistura foi agitada e manteve com certeza a duração do tempo até que a borracha se tornou dissolvida uniformemente no solvente.

Mistura da Borracha com a Solução de Nanotube

Este é o passo final no processo da preparação do derretimento e envolve basicamente a mistura completa das soluções preparadas no primeira e nas segundas etapas, tendo por resultado uma solução que consista em uma boa mistura dos nanotubes na borracha.

Pressionando e Testando A Amostra

O material do nancomposite (borracha com CNTs) foi pressionado usando a imprensa e o corte quentes em formas padrão. As amostras foram caracterizadas então e as propriedades mecânicas mediram.

Resultados e Discussão

Produção de Multi Carbono Nanotubes da Parede (MWCNTs)

Neste trabalho de pesquisa, MWCNTs foi produzido usando o depósito de vapor químico de flutuação do catalizador (FC-CVD). Para produzir estes materiais de carbono, os átomos de carbono ligam-se junto na presença do catalizador do ferro (Fe).

O catalizador do ferro (Fe), no formulário da partícula foi obtido da decomposição do ferrocene. Os átomos de carbono produziram do rachamento do benzeno CH66 servido como as matérias primas. O produto foi recolhido da parede do reactor e dos barcos cerâmicos, que foram colocados no centro da câmara da reacção. O estudo dos efeitos de cada parâmetro chave no rendimento, a pureza, o diâmetro médio e a distribuição do material de carbono são discutidos, porém a maior ênfase foi colocada em CNTs e a um grau inferior em CNFs devido a suas importância industrial e aplicabilidade mais larga. As condições da produção de CNTs puro foram fixadas na temperatura 850°C da reacção, no caudal 300 ml/min do hidrogênio e no tempo de reacção 45min. Os diâmetros do CNTs foram variados de 2 nanômetro a 30 nanômetro e o comprimento médio estava no µm 70.

Caracterização de SEM

Os nanotubes resultantes do carbono foram caracterizados extensivamente usando SEM. Figura 1 imagens típicas de SEM das mostras de nanotubes do carbono. A pureza Alta, disposição do nanotube do carbono foi observada em figura 1. A observação de SEM mostra que estes nanotubes do carbono são dez dos mícrons por muito tempo (até 50 mícrons) com diâmetros uniformes. A morfologia maioria dos nanotubes longos do carbono é filme como e orientado. Contudo, as imagens indicam que os produtos estão limpos à exceção de algumas impurezas do nanoparticle.

AZoNano - Nanotecnologia - Imagens de SEM da temperatura 850°C da reacção dos nanotubes do carbono, do caudal 300 ml/min do hidrogênio e do tempo de reacção 45min.

AZoNano - Nanotecnologia - Imagens de SEM da temperatura 850°C da reacção dos nanotubes do carbono, do caudal 300 ml/min do hidrogênio e do tempo de reacção 45min.

Imagens de SEM da temperatura 850°C da reacção dos nanotubes do carbono, do caudal 300 ml/min do hidrogênio e do tempo de reacção 45min.

Caracterização de TEM

TEM foi realizado para caracterizar a estrutura dos nanotubes (Figura 2). Para preparar amostras de TEM, algum álcool foi deixado cair no filme dos nanotubes, a seguir, estes filmes foram transferidos com um par de pinça a uma grade de cobre carbono-revestida.

As imagens de TEM dos nanotubes são apresentadas em figura 3 (a). É óbvio, das imagens que todos os nanotubes são ocos e tubulares na forma. Em algumas das imagens, as partículas do catalizador podem ser consideradas dentro dos nanotubes. As imagens de TEM indicam que os nanotubes são pureza alta, com a distribuição uniforme do diâmetro e não contêm nenhuma deformidade na estrutura. Quando figura 3 (b) mostra o Microscópio de Elétron De alta resolução da Transmissão (HRTEM) dos nanotubes do carbono. Mostra que uma estrutura cristalina altamente pedida de CNT esta presente. As franjas claras de folhas graphitic são separadas bem por 0,34 nanômetros e alinhadas com um ângulo inclinado aproximadamente de 2° para a linha central da câmara de ar.

AZoNano - Nanotecnologia - imagens de TEM de CNTs na Baixa definição

AZoNano - Nanotecnologia - imagens de TEM de CNTs na Alta resolução.

Imagens de TEM da Alta resolução da Baixa definição de CNTs (a) (b).

Carbono Nanotube/Borracha Natural Nanocomposites

Neste trabalho de pesquisa, os nanotubes do carbono foram empregados porque um nano-reforço da relação em um carbono comercial avançado/composto de borracha e em um este é tal trabalho tem sido relatado a primeira vez. As previsões Teóricas das propriedades mecânicas de nanotubes do carbono como descrito acima, em particular suas forças altas previstas (do pedido de 60 GPa) e módulos (~1 TPa), fazem-lhes candidatos atractivos como um material de enchimento do reforço no polímero baseou compostos estruturais. O trabalho experimental Inicial em CNT-NR nanotube-reforçado carbono demonstrou que grande aumente no módulo eficaz e a força pode ser obtida com a adição de pequenas quantidades de nanotubes do carbono.

Observações de TEM

A dispersão de CNTs no SMR CV60 foi caracterizada usando a Microscopia de Elétron de Transmissão (TEM). Uma secção fina de aproximadamente 100 nanômetro foi cortada com uma faca do diamante em -120°C para observar a dispersão de CNTs dentro da borracha. Na figura, 4 (a) CNTs curto e longo é visto. Mostrou-se nesta figura que o CNTs está distribuído homogènea na matriz de SMR CV60. Contudo, o CNTs está aberto em ambas as extremidades durante a dispersão do CNTs no tolueno, usando a vibração da freqüência ultra-sônica e durante a mistura de CNTs no SMR CV60 pelo stirring mecânico. A distância entre o CNTs na matriz é larga e aquela fá-los orientada bem com pouca interacção da relação entre elas. O tamanho do CNTs no TEM mostra o diâmetro de variação de 2-20nm e o comprimento de variação, que podem ser curtos ou por muito tempo. Figura 4 (b) mostra a imagem de uns 3 WT % CNTs, dispersada na matriz, as orientações do CNTs no SMR CV60 tinham-se tornado orientadas menos e mais aleatórias. A figura igualmente mostra que o CNTs está aberto na extremidade. Figura 4 (c, d e e) mostram o CNTs no CV 60 de SMR em 5, 7, e 10 WT % respectivamente. As figuras igualmente indicam que a orientação do CNTs joga um papel muito importante no esforço e na tensão da matriz. Um Outro factor considerou importante nas propriedades mecânicas é o prolongamento; se o prolongamento é alto a força do material aumentará.

AZoNano - Nanotecnologia - imagem de TEM de CNTs em SMR CV60, 1 WT % de CNTs e 3 WT % de CNTs.

AZoNano - Nanotecnologia - imagem de TEM de CNTs em SMR CV60 em 5 WT % de CNTs e em 7 WT % de CNTs.

AZoNano - Nanotecnologia - imagem de TEM de CNTs em SMR CV60 com 10 WT % de CNTs.

Imagem de TEM de CNTs em SMR CV60 (a) 1 WT % de CNTs (b) 3 WT % de CNTs (c) 5 WT % de CNTs (d) 7 WT % de CNTs e (e) 10 WT % de CNTs.

A curva da esforço-tensão de porcentagens diferentes do nanotube puro do carbono (1, 3, 5, 7 e 10 WT % de CNTs) com SMR CV60 é apresentada em figura 5. A resistência à tracção aumenta radical enquanto a quantidade de concentração de CNTs aumenta. A tendência geral é que o nível de esforço está aumentado pela adição de CNTs que joga o papel do reforço. Destes resultados, deduz-se que o efeito de reforço de CNTs é muito marcado. Enquanto o índice de CNT na borracha aumenta, de esforço do nível os aumentos gradualmente mas ao mesmo tempo a tensão dos nanocomposites diminuem.

AZoNano - Nanotecnologia - Esforço-Tensão de SMR CV60 com porcentagem diferente de CNTs.

esforço - tensão de SMR CV60 com porcentagem diferente de CNTs.

O nível aumentado de esforço era devido à interacção entre o CNTs e a borracha. Uma boa relação entre o CNTs e a borracha é muito importante para que um material suporte o esforço. Como descrito acima CNTs é materiais extremamente fortes comparados a outros tipos de enchimentos, assim fazendo lhes bons candidatos como nanofillers. Sob a carga, a matriz distribui a força ao CNTs que levam a maioria da carga aplicada.

Efeito de CNTs no módulo Young do CV 60 de SMR.

O mesmo fenômeno foi observado para o Módulo Young. O módulo young dos compostos normalizados com o aquele da matriz pura é apresentado em figura 6. O resultado indicou que o Módulo dos Jovens aumentou com um aumento na quantidade do CNTs na formulação. Contudo, em 1 e 3 WT % de CNTs, o incremento do módulo não é tão alto quanto aquele da resistência à tracção. O mesmo valor do módulo e a resistência à tracção foram observados em 5 WT % de CNTs. Quando em 7 e 10 WT % o módulo era mais alto do que a resistência à tracção.

AZoNano - Nanotecnologia - Módulo Novo de SMR CV60 na porcentagem diferente de CNTs.

Módulo Novo de SMR CV60 na porcentagem diferente de CNTs.

Efeito de CNTs na Absorção de Energia do CV 60 de SMR

Figuras 7 mostram a dureza do nanocomposite e consideram a quantidade de energia exigida para fracturar um material. A figura mostra aquela, aumentando a quantidade de CNTs no SMR CV60 a energia da absorção necessário para fracturar os aumentos materiais. Desde Que a força é proporcional à força necessário quebrar a amostra, e a tensão é medida nas unidades de distância (isto é, a distância a amostra é esticada), a seguir a força vezes a tensão é proporcional à força vezes a distância que iguala por sua vez à energia isto é:

Distância = energia do × da força do ~ da tensão do × da Força

AZoNano - Nanotecnologia - Mostras a dureza como a função do WT % de CNTs.

Mostra a dureza como a função do WT % de CNTs.

geralmente, o esforço aumenta com a quantidade de CNTs de 1-10 WT %. Isto implica conseqüentemente um aumento na energia exigida para fracturar o material. De Qualquer Modo havia uma diminuição insignificanta na tensão em 1 e 3 WT % que implicam que a ductilidade estêve preservada virtualmente nestas porcentagens. A diminuição observada na tensão mostrada na figura de 5-10 WT % não tem nenhum efeito na força total dos nanotubes do carbono devido ao aumento muito mais alto na rigidez. Segundo as indicações da figura a energia da absorção em mostras de 1,3,5,7 e 10 WT % uma tendência geral do aumento na rigidez com aumento na energia, que é 0,24, 0,38, 4,7, 10 e 24 J comparou respectivamente ao puro que é 0,12 J. Este aumento pode ser atribuído à propriedade de reforço de nanotubes do carbono que aumenta por sua vez a força da borracha.

Conclusão

Em resumo, nós demonstramos a fabricação bem sucedida do nanocomposite que consiste na matriz da Borracha Natural com nanotubes murados do carbono de 1-10 WT % Multi (MWCNTs). Os nanotubes do Carbono eram aplicados para o nano-reforço da relação em carbono comercial avançado/composto de borracha e esta é a primeira tentativa que tal trabalho é relatado. A preparação dos nanocomposites foi realizada por um método solvente da carcaça usando o tolueno como um solvente. É claro da figura que o esforço máximo de SMR puro CV60 é 0,2839 MPa. Quando 1wt % de CNTs foram adicionados à borracha o nível de esforço para o material do nanocomposite aumentou 0,2839 MPa a 0,56413 MPa. A Adição do WT % CNTs à borracha natural aumentou o nível de esforço gradualmente segundo as indicações de figura 5. Em 10 WT % de CNTs o valor do esforço obtido alcançou o MPa 2,55 que é 9 vezes que da borracha natural pura. O resultado indica aquele, aumentando a quantidade de CNTs adicionou na borracha a ductilidade diminuída e o material torna-se mais forte e mais resistente mas ao mesmo tempo mais frágil. A tendência clara observada aqui é que como a carga do nanotube aumenta, a fibra que quebra a tensão diminui. Igualmente mostra que o valor o mais alto da tensão estêve obtido para o nanocomposite em 1wt % do CNTs. Este composto nesta porcentagem é mais dútile e mais elástico comparado a outras porcentagens de CNTs. O valor da tensão em 1wt % era quase o mesmo que para a borracha pura. O valor Mínimo da tensão foi obtido em 10 WT % de CNTs; o valor da tensão diminuído quase 2,5 vezes i.e.2.94 comparou à borracha pura que era 7,34.

Reconhecimento

Os autores reconhecem grata a intensificação nacional da pesquisa nas áreas de prioridade (IRPA) para seu suporte financeiro desta pesquisa.

Referências

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Muataz Ali Atieh
Departamento da Universidade Química e Ambiental 43400, UPM, Serdang
Malásia

motazali@hotmail.com

Nazlia Girun
Departamento da Universidade Química e Ambiental 43400, UPM, Serdang
Malásia

Fakhru'l-Razi Ahmadun
Departamento da Universidade Química e Ambiental 43400, UPM, Serdang
Malásia

Chuah Teong Guan
Departamento da Universidade Química e Ambiental 43400, UPM, Serdang
Malásia

EL-Sadig Mahdi
Departamento da Universidade Malásia 43400 da Engenharia Aeroespacial, UPM, Serdang
Malásia

Dayang Radia Baik
Departamento da Universidade Química e Ambiental 43400, UPM, Serdang
Malásia

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

Last Update: 13. June 2013 07:08

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