OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0106

Углерод Nanotubes/Природный Каучук Nanocomposite Multi-Стены

Muataz Али Atieh, Nazlia Girun, Fakhru'l-Razi Ahmadun, Chuah Teong Guan, El-Sadig Mahdi и Dayang Radia Baik

Представлено: 5-ое августа 2005th

Вывешено: 29-ое ноября 2005th

Покрытые Темы

Конспект

Введение

Углерод Nanotubes

Углерод Nanotubes как Подкрепления в Композиционных Материалах

Multi-Огороженный Углерод Nanotube-Основал Nanocomposites в Этом Изучении

Экспириментально

Рассеивание Nanotubes

Растворение Резины

Смешивать Резины с Разрешением Nanotube

Отжимающ и Испытывающ Образец

Результаты и Обсуждение

Продукция Multi Углерода Nanotubes Стены (MWCNTs)

Характеризация SEM

Характеризация TEM

Углерод Nanotube/Природный Каучук Nanocomposites

Замечания TEM

Влияние CNTs на значении Сжатие-деформации Природного Каучука

Влияние CNTs на Young модуле CV 60 SMR.

Влияние CNTs на Абсорбцие Энергии CV 60 SMR

Заключение

Подтверждение

Справки

Детали Контакта

Метод низложения химического пара плавающего катализатора (FC-CVD) был конструирован и был изготовлен для того чтобы произвести nanotubes высокомарочных и количества углерода. Параметры конструкции любят расход потока водопода; время реакции и температура реакции были оптимизированы для того чтобы произвести высокие выход и очищенность Multi Углерода Nanotubes Стены (MWCNTs). Multi-Огороженный Углерод Nanotubes (MWNTs) был использован для того чтобы подготовить nanocomposites (NR) природного каучука. Наши первые усилия достигнуть nanostructures в nanocomposites MWNTs/NR были сформированы путем включать nanotubes углерода в разрешении полимера и затем испарять растворитель. Используя этот метод, nanotubes можно разметать однотипово в матрице NR в попытке увеличить механически свойства этих nanocomposites. Были изучены свойства nanocomposites как прочность на растяжение, растяжимый модуль, удлиненность на проломе и твердость. Механически результаты теста показывают увеличение в начальном модуле на до 12 времени по отношению к чисто NR. В дополнение к механически испытанию, положение рассеивания MWNTs в NR было изучено Электронной Просвечивающей Микроскопией (TEM) для того чтобы понять словотолкование приводя к системы.

Исследуйте на новых материалах технология привлекает внимание изучений во всем мире. Развития делаются для того чтобы улучшить свойства материалов и также найти альтернативные прекурсоры которые могут bestow желательные свойства на материалах. Большой интерес недавно превращался в зоне nanostructured материалов углерода. Nanostructures Углерода случаться значительной коммерчески важности при интерес все больше и больше быстро над декадой или так с открытия buckminsterfullerene, nanotubes углерода, и nanofibers углерода.

Углерод Nanotubes

Nanotubes Углерода (CNTs) показывают уникально механически, электронные и магнитные свойства, которые причиняли их широко быть изученным [1-3]. CNTs вероятно самые сильные вещества которые всегда будут существовать с прочностью на растяжение более большой чем сталь, только только 1/6 веса стали [4]. 1991) первых Iijima (открыло nanotubes углерода (CNTs) используя метод разрядки дуги [5,6]. После этого открытия, были начаты несколько проектов научного исследования и разнообразие методы были использованы для того чтобы синтезировать CNTs, namely, разрядку дуги, испарение лазера [7] и каталитическое низложение химического пара углеродов [8-10]. В Виду Того Что ковалентные связи углерод-углерода одна из самой сильной в природе, структура основала на совершенном расположении этих скреплений ориентированных вдоль оси nanotubes произвела бы exceedingly сильный материал. Nanotubes сильные и жизнерадостные структуры которые можно согнуть и протянуть в формы без катастрофического разрушения конструкции в nanotube [11, 12]. Young соперник модуля и прочности на растяжение который диаманта (1 Tera Паскаль и ~200 Giga Паскаль, соответственно) [13].

Углерод Nanotubes как Подкрепления в Композиционных Материалах

Это сказовое свойство механически прочности позволяет этим структурам быть использованным как возможные усиливая материалы. Как Раз как настоящая технология волокна углерода, эти nanotubes усиливают позволили бы очень сильным и светлым материалам, котор нужно произвести. Эти свойства CNTs привлекли внимание научных работников внутри во всем мире потому что их высокая способность для поглощать нагрузку которая прикладной к материалам nanocomposite [11-13].

Multi-Огороженный Углерод Nanotube-Основал Nanocomposites в Этом Изучении

Multi-Огороженные nanotubes углерода (MWNTs) будут использованы для того чтобы подготовить nanocomposites (NR) природного каучука. Наше первое усилие достигнуть nanostructures в nanocomposites MWNTs/NR будет сформировано путем включать nanotubes в разрешении полимера и затем испарять растворитель. Используя этот метод, nanotubes будут разметаны однотипово в матрице NR в попытке увеличить механически свойства этих nanocomposites. Были изучены свойства смесей как прочность на растяжение, растяжимый модуль и удлиненность на проломе.

Экспириментально

Реактор FC-CVD был конструирован для того чтобы произвести CNF & CNT. Продукция nanotube углерода nanofibers/в присутствующей работе была дирижирована в горизонтальном трубчатом реакторе. Горизонтальный реактор пробка кварца 50 mm в диаметре и 900 mm в длине, нагретая нагревающим элементом карбида кремния. 2 конических склянки подключили к одину другого с изолированной пластичной пробкой, одному из их для источника углерода и другое одно для источника катализатора было помещено перед трубчатым реактором. Они были соединены к реактору через нержавеющее крадут трубу. Склянка, которая содержит катализатор, была помещена на каминной доске топления с регулятором температуры. 2 типа газов были использованы в этой системе, водопод был использован по мере того как реагируя газ и аргон для проблескивая воздуха от системы, и оба них были проконтролированы измерителем прокачки. Один конденсатор был помещен после того как реактор для того чтобы охладить вниз температуру выхода газа и пойманные в ловушку материалы как показано в схематических диаграммах и изображении в диаграмме 1.

AZoNano - Нанотехнология - Схематическая диаграмма доработанного FC-CVD.

Схематическая диаграмма доработанного FC-CVD.

Nanotubes углерода были добавлены к природному каучуку как заполнитель. Природный каучук, который был использован в этом изучении, Стандартная Малайзийская Резиновая Постоянн Выкостность 60 (CV 60 SMR). Подготовка nanocomposites была унесена путем использование растворяющего метода литья используя толуол как растворитель. Добавленное количество nanotubes углерода было 1, 3, 5, 7 и 10 WT % 10 грамм полного веса.

Процесс делать природный каучук/nanotubes как материал nanompcosite разделил в 4 следовать процесса.

Рассеивание Nanotubes

Этот участок включает растворение/рассеивание CNTs в растворяющее (в этих случае, толуоле) для того чтобы disentangle nanotubes которые типично клонат прильнуть совместно и сформировать шишки, которые будут очень трудными для того чтобы обрабатывать. Для этого, некоторое количество nanotubes углерода или nanofibers были добавлены к специфическому количеству разрешения толуола после тщательно весить (поддерживать коэффициент специфического веса nanotubes в разрешении). Это разрешение более добавочно было sonicated используя механически sonicator зонда (Branson более sonifier), способное вибрировать на ультразвуковых частотах для того чтобы навести эффективное рассеивание nanotubes или nanofibers. Для этого изучения, различные разрешения CNT были подготовлены (содержащ CNTs в различных коэффициентах веса):

i) 1 WT % CNTs содержа в 10ml разрешения толуола

ii) 3 WT % CNTs в 10ml разрешения толуола

III) 5 WT % CNTs в 10ml разрешения толуола

iv) 7 WT % CNTs в 10ml разрешения толуола

v) 10 WT % CNTs в 10ml разрешения толуола.

Растворение Резины

Этот этап включает растворение Резины в соответствующий органический растворитель (толуол). Специфическое количество резины (в этот случай, 10 gms), котор весят используя баланс было добавлено к некоторому количеству органического растворителя (500 ml толуола) таким образом поддерживая пожеланный резиновый коэффициент веса. Эта смесь была пошевелена и была сдержана для некоторой продолжительности времени до тех пор пока резина не станет равномерно растворенной в растворителе.

Смешивать Резины с Разрешением Nanotube

Это заключительный шаг в процессе подготовки melt и по-существу включает тщательный смешивать подготовленных разрешений в первые и вторые этапы, приводящ к в разрешении которое состоит из хорошей бленды nanotubes в резине.

Отжимающ и Испытывающ Образец

Материал nancomposite (резина с CNTs) был отжат используя горячие давление и отрезок в стандартные формы. Образцы после этого были охарактеризованы и механически свойства измерили.

Результаты и Обсуждение

Продукция Multi Углерода Nanotubes Стены (MWCNTs)

В этой научной работе, MWCNTs было произведено путем использование низложения химического пара плавающего катализатора (FC-CVD). Для того чтобы произвести эти материалы углерода, атомы углерода скрепляют совместно в присутствии к катализатору утюга (Fe).

Катализатор утюга (Fe), в форме частицы был получен от разложения ferrocene. Атомы углерода произведенные от трескать коксобензола CH66 служили как сырья. Продукт был собран от стены реактора и керамических шлюпок, который были помещены на центре камеры реакции. Обсужены изучение влияний каждого определяющего параметра на выходе, очищенность, средний диаметр и распределение материала углерода, тем ме менее большое внимание было помещено на CNTs и в меньший объем CNFs из-за их промышленной важности и более широкой применимости. Условия продукции чисто CNTs были зафиксированы на температуре 850°C реакции, расходе потока 300 ml/min водопода и времени реакции 45min. Диаметры CNTs были поменяны от 2 nm до 30 nm и средняя длина находилась на µm 70.

Характеризация SEM

Возникающие nanotubes углерода были охарактеризованы обширно используя SEM. Диаграмма 1 изображения SEM выставок типичные nanotubes углерода. Особая чистота, блок nanotube углерода наблюдалась в диаграмме 1. Замечание SEM показывает что эти nanotubes углерода 10 микронов длиной (до 50 микронов) с равномерными диаметрами. Навальное словотолкование длинних nanotubes углерода фильм как и ориентировано. Однако, изображения показывают что продукты чисты за исключением некоторых примесей nanoparticle.

AZoNano - Нанотехнология - Изображения SEM температуры 850°C реакции nanotubes углерода, расхода потока 300 ml/min водопода и времени реакции 45min.

AZoNano - Нанотехнология - Изображения SEM температуры 850°C реакции nanotubes углерода, расхода потока 300 ml/min водопода и времени реакции 45min.

Изображения SEM температуры 850°C реакции nanotubes углерода, расхода потока 300 ml/min водопода и времени реакции 45min.

Характеризация TEM

TEM было унесено для того чтобы характеризовать структуру nanotubes (Диаграммы 2). Для того чтобы подготовить образцы TEM, некоторый спирт был упаден на фильм nanotubes, тогда, эти фильмы были перенесены с парой щипчиков к углерод-покрынной медной решетке.

Изображения TEM nanotubes в диаграмме 3 (a). Оно очевиден, от изображений что все nanotubes полые и трубчатые в форме. В некоторых из изображений, частицы катализатора можно увидеть внутри nanotubes. Изображения TEM показывают что nanotubes особая чистота, с равномерным распределением диаметра и не содержат никакое уродство в структуре. Пока на диаграмму 3 (b) показано Высокий Просвечивающий Электронный Микроскоп Разрешения nanotubes углерода. Она показывает что сильно приказанное кристаллическое строение CNT присутствовал. Ясные края графитообразных листов хорошо отделены 0,34 nm и выровняны с опрокинутым углом около 2° к оси пробки.

AZoNano - Нанотехнология - изображения TEM CNTs на Низком разрешении

AZoNano - Нанотехнология - изображения TEM CNTs на Высоком разрешении.

Изображения TEM разрешения разрешения CNTs (a) Низкого (b) Высокого.

Углерод Nanotube/Природный Каучук Nanocomposites

В этой научной работе, nanotubes углерода были использованы по мере того как nano-подкрепление интерфейса в предварительном коммерчески углероде/резиновом составном и этом the first time такая работа было сообщено. Теоретические прогнозы механически свойств nanotubes углерода как описано выше, в частности их предсказанные высокие прочности (заказа 60 GPa) и модули (~1 TPa), делают ими привлекательные выбранные по мере того как материал заполнителя подкрепления в полимере основал структурные смеси. Начальная экспериментальная деятельность на CNT-NR nanotube-усиленном углеродом демонстрировала что больш увеличьте в эффективном модуле и прочность можно получить с дополнением небольших количеств nanotubes углерода.

Замечания TEM

Рассеивание CNTs в SMR CV60 было охарактеризовано путем использование Электронной Просвечивающей Микроскопии (TEM). Тонкий раздел около 100 nm был отрезан с ножом диаманта на -120°C для того чтобы наблюдать рассеиванием CNTs внутри резины. В диаграмме, увидены 4 (a) короткое и длиннее CNTs. Было показано в этой диаграмме что CNTs homogenously распределено в матрице SMR CV60. Однако, CNTs открыто на обоих концах во время рассеивания CNTs в толуол, используя вибрацию ультразвуковой частоты и во время смешивать CNTs в SMR CV60 механически активностью. Расстояние между CNTs в матрице широко и то делает их хорошо ориентированные с меньшим взаимодействием интерфейса между ими. Размер CNTs в TEM показывает меняя диаметр от 2-20nm и меняя длину, который могут быть или короток или длиной. На Диаграмму 4 (b) показано разметанное изображение 3 WT % CNTs, в матрице, ориентации CNTs в SMR CV60 стала более менее ориентированной и более случайной. На диаграмму также показано что CNTs открыто в конце. На Диаграмму 4 (c, d и e) показано CNTs в CV 60 SMR на 5, 7, и 10 WT % соответственно. На диаграммы также показано что ориентация CNTs играет очень важную роль в усилии и напряжении матрицы. Другой фактор учитывал важной на механически свойствах коэффициент сжатия; если коэффициент сжатия высоок, то прочность материала увеличит.

AZoNano - Нанотехнология - изображение TEM CNTs в SMR CV60, 1 WT % CNTs и 3 WT % CNTs.

AZoNano - Нанотехнология - изображение TEM CNTs в SMR CV60 на 5 WT % CNTs и 7 WT % CNTs.

AZoNano - Нанотехнология - изображение TEM CNTs в SMR CV60 с 10 WT % CNTs.

Изображение TEM CNTs в SMR CV60 (a) 1 WT % CNTs (b) 3 WT % CNTs (c) 5 WT % CNTs (d) 7 WT % CNTs и (e) 10 WT % CNTs.

Кривый сжатие-деформации различных процентов чисто nanotube углерода (1, 3, 5, 7 и 10 WT % CNTs) с SMR CV60 в диаграмме 5. Прочность на растяжение радикальным образом увеличивает по мере того как количество концентрации CNTs увеличивает. Общая тенденция что уровень усилия увеличен добавлением CNTs которое играет роль подкрепления. От этих результатов, дедуцировано что усиливая влияние CNTs очень маркированно. По Мере Того Как содержание CNT в резине увеличивает, усилия уровня увеличения постепенно но в тоже время напряжение nanocomposites уменьшают.

AZoNano - Нанотехнология - Сжатие-деформация SMR CV60 с различным процентом CNTs.

сжатие-деформация SMR CV60 с различным процентом CNTs.

Увеличенный уровень усилия был должн к взаимодействию между CNTs и резиной. Хороший интерфейс между CNTs и резиной очень важен для материала для того чтобы выдержать усилие. Как описано выше CNTs весьма сильные материалы сравненные к другим типам заполнителей, таким образом делающ ими хорошие выбранные как nanofillers. Под нагрузкой, матрица распределяет усилие к CNTs который носят большую часть из прикладной нагрузки.

Влияние CNTs на Young модуле CV 60 SMR.

Такое же явление наблюдалось для Young Модуля. Young модуль смесей нормализованных с той из чисто матрицы в диаграмме 6. Результат показал что Модуль Детенышей увеличил с увеличением в количестве CNTs в образовании. Однако, на 1 и 3 WT % CNTs, инкремент модуля как не высоок как инкрементиз прочности на растяжение. Такое же значение модуля и прочность на растяжение наблюдались на 5 WT % CNTs. Пока на 7 и 10 WT % модуль был более высоок чем прочность на растяжение.

AZoNano - Нанотехнология - Молодой Модуль SMR CV60 на различном проценте CNTs.

Молодой Модуль SMR CV60 на различном проценте CNTs.

Влияние CNTs на Абсорбцие Энергии CV 60 SMR

На Диаграммы 7 показано твёрдость nanocomposite и рассматривают количество энергии необходимы сломать материал. На диаграмму показано то, путем увеличивать количество CNTs в SMR CV60 энергия абсорбциы необходима для того чтобы сломать материальные увеличения. В Виду Того Что прочность пропорциональна к усилию необходима для того чтобы сломать образец, и напряжение измерено в блоках расстояния (т.е., протягивано расстояние образец), тогда прочность рас напряжение пропорциональна к усилию рас расстояние которое в свою очередь приравнивает к энергии т.е.:

Расстояние = энергия × усилия ~ напряжения × Прочности

AZoNano - Нанотехнология - Выставки твёрдость как функция WT % CNTs.

Показывает твёрдость как функция WT % CNTs.

Вообще, усилие увеличивает с количеством CNTs от 1-10 WT %. Это поэтому подразумевает увеличение в энергии необходимо, что сломало материал. Как Бы было незначительное уменшение в напряжении на 1 и 3 WT % подразумевая что дуктильность фактически была сохранена на этих процентах. Наблюдаемое уменшение в напряжении показанном в диаграмме от 5-10 WT % не имеет никакое влияние на общей прочности nanotubes углерода должных к гораздо высокее увеличению в жесткости. Как показано в диаграмме энергия абсорбциы на выставках 1,3,5,7 и 10 WT % общая тенденция увеличения в жесткости с увеличением в энергии, которая 0,24, 0,38, 4,7, 10 и 24 J соответственно сравнила к чисто которое 0,12 J. Это увеличение можно отнесло к усиливая свойству nanotubes углерода которое в свою очередь увеличивает прочность резины.

Заключение

В сводке, мы демонстрировали успешное изготовление nanocomposite состоя из матрицы Природного Каучука с nanotubes углерода 1-10 WT % Multi огороженными (MWCNTs). Nanotubes Углерода были прикладной для nano-подкрепления интерфейса в предварительном коммерчески углероде/резиновом составном и это первая попытка такая работа сообщена. Подготовка nanocomposites была унесена растворяющим методом литья используя толуол как растворитель. Ясно от диаграммы что максимальное усилие чисто SMR CV60 0,2839 MPa. Когда 1wt % CNTs были добавлены к резине уровень усилия для материала nanocomposite увеличил от 0,2839 MPa к 0,56413 MPa. Добавление WT % CNTs к природному каучуку увеличило уровень усилия постепенно как показано в диаграмме 5. На 10 WT % CNTs полученное значение усилия достигло MPa 2,55 который 9 времен которые чисто природного каучука. Результат показывает то, путем увеличивать количество CNTs добавил в резину уменьшенную дуктильность и материал будет сильне и более грубым но в тоже время более хрупким. Ясная тенденция наблюдаемая здесь что по мере того как нагрузка nanotube увеличивает, разрушающая деформация волокна уменьшает. Она также показывает что самое высокое значение напряжения было получено для nanocomposite на 1wt % CNTs. Эта смесь на этом проценте более дуктильна и больше эластики сравненная к другим процентам CNTs. Значение напряжения на 1wt % было почти этим же как для чисто резины. Минимальное значение напряжения было получено на 10 WT % CNTs; значение напряжения уменьшенное почти 2,5 времени i.e.2.94 сравнило к чисто резине которая была 7,34.

Подтверждение

Авторы признательно подтверждают национальное усиление исследования в зонах приоритета (IRPA) для их финансовой поддержки этого исследования.

Справки

       Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Eklund, P.C. Наука fullerenes и nanotubes углерода; Академическая Пресса: Сан-Диего

       Wong, W.E.; Sheehan, P.E., Lieber, механики C.M. Nanobeam: Упругость, прочность, и твёрдость nanorods и nanotubes. Наука 277, 1971-1975, (1997).

       Treacy M.M.J., Ebbesen T.W. и Гибсон J.M., «Исключительнейше высокий Young модуль наблюдаемый для индивидуальных nanotubes углерода», Природа 381, 678, (1996).

       Iijima S., Спиральные микротрубочки графитообразного углерода. (1991) Природа 354 p.56.

       R. Saito, G. Dresselhaus, и Свойства Dresselhaus M.S. Физические Углерода Nanotubes: Отожмите, 1-4 (1999).

       Скотт C.D., Arepalli S., P. Nikolaev и Smalley R.E., «Механизмы Роста для Одностеночного Углерода Nanotubes в Процессе Лазер-Удаления», Прикладная Физика A 72, 573-80 (2001).

       Ebbesen, W.T.; Ebbesen, W.T., Ed, В nanotubes Углерода: Подготовка и свойства, Давление CRC: , P. 139-162 (1997).

       R. Andrews, D. Jacques, Rao A.M., F. Дербишира, Qian, D., Вентилятор, X., Dickey E.C. и J. Chen, Непрерывное производство выровнянных nanotubes углерода: Шаг ближе к коммерчески осуществлению, Chem.Phys. Lett. 303, P. 467-474 (1999).

       Falvo M.R., Clary G.J., Тейлор II R.M., Хи V., Младший F.P. Ручейков, Washburn S. и Superfine R., «Гнущ и buckling nanotubes углерода под большим напряжением», Природа 389582-84, (1997).

    R.H. Dalton A.B., Collins S., Munoz E., Razal J.M., Ebron V.H., Ferraris J.P., Coleman J.N., Ким B.G. и Baughman, «Супер-Грубые волокна углерода-nanotube», Природа 423, P. 703 (2003).

    Dujardin E., W. Ebbesen T., A. Krishnan, N.P. Yianilos, и, J. Treacy M., «Young Модуль Одиночн-Огороженного Nanotubes», Физическое Просмотрение B 58(20) 14013-14019 (1998).

    R.H. Baughman, Zakhidov A.A. и Heer W.A. «», Наука 279, 787-92 (2002).

    Qian, D., Dickey, E.C., механизмы переноса Andrews, R., Rantell, T., «Нагрузки и деформации в смесях nanotube-полистироля углерода». Appl. Phys. Lett. 76, 2868-2870 (2000).

Muataz Али Atieh
Отдел Химического и Относящого К Окружающей Среде Университета 43400, UPM, Serdang
Малайзия

motazali@hotmail.com

Nazlia Girun
Отдел Химического и Относящого К Окружающей Среде Университета 43400, UPM, Serdang
Малайзия

Fakhru'l-Razi Ahmadun
Отдел Химического и Относящого К Окружающей Среде Университета 43400, UPM, Serdang
Малайзия

Chuah Teong Guan
Отдел Химического и Относящого К Окружающей Среде Университета 43400, UPM, Serdang
Малайзия

El-Sadig Mahdi
Отдел Университета Малайзии 43400 Авиакосмического Машиностроения, UPM, Serdang
Малайзия

Dayang Radia Baik
Отдел Химического и Относящого К Окружающей Среде Университета 43400, UPM, Serdang
Малайзия

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

Last Update: 13. June 2013 07:12

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit