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DOI : 10.2240/azojono0106

多墙壁碳 Nanotubes/天然橡胶 Nanocomposite

Muataz 阿里 Atieh, Nazlia Girun, Fakhru'l-Razi Ahmadun, Chuah Teong Guan, ElSadig Mahdi 和 Dayang Radia Baik

提交: 2005年 8月th 5日

张贴: 2005年 11月th 29日

包括的事宜

摘要

简介

碳 Nanotubes

作为增强的碳 Nanotubes 在合成材料

多被围住的碳在此研究中 Nanotube 根据 Nanocomposites

实验

Nanotubes 散射

橡胶的解散

混合橡胶与 Nanotube 解决方法

按和测试范例

结果和论述

多墙壁碳 Nanotubes 的生产 (MWCNTs)

SEM 描述特性

TEM 描述特性

碳 Nanotube/天然橡胶 Nanocomposites

TEM 观察

CNTs 的作用对天然橡胶的应力值

CNTs 的作用对 SMR CV 60 的年轻的模数。

CNTs 的作用对 SMR CV 60 的能量吸收

结论

鸣谢

参考

联络详细资料

浮动的催化剂化学气相沉积 (FC-CVD) 方法被设计并且被制造导致优质和数量碳 nanotubes。 设计参数喜欢氢流速; 回应时间和回应温度被优选导致多墙壁碳 Nanotubes 高产量和纯度 (MWCNTs)。 多被围住的碳 Nanotubes (MWNTs) 用于准备天然橡胶 (NR) nanocomposites。 我们的第一个工作成绩达到在 MWNTs/NR nanocomposites 的 nanostructures 由合并在聚合物解决方法的碳 nanotubes 和随后蒸发这种溶剂形成。 使用此技术, nanotubes 在 NR 矩阵可以同类地被分散为增加这些 nanocomposites 机械性能。 nanocomposites 的属性例如抗拉强度、拉伸模数、伸长在中断和坚硬被学习了。 机械检验结果关于纯 NR 显示在最初的模数的一个增量 12 次。 除机械测试之外, MWNTs 的散射状态到 NR 里由透射电镜术学习 (TEM)为了了解这个发生的系统的形态学。

研究在新的材料技术受到全世界研究的注意。 发展做改进材料的属性并且查找可能赠送在材料的理想的属性的替代前体。 巨大利息在 nanostructured 碳材料区最近开发了。 碳 nanostructures 是情况与越来越迅速地生长在这个十年期间或如此从在 buckminsterfullerene 的发现的上利息的严重的商业重要,碳 nanotubes 和碳 nanofibers。

碳 Nanotubes

碳 nanotubes (CNTs) 陈列唯一机械,电子和磁性,造成他们广泛被学习 [1-3]。 CNTs 只很可能是比钢将存在与抗拉强度极大的最严格的物质,但是六分之一重量钢 [4]。 Iijima (1991) 第一发现了碳 nanotubes (CNTs) 使用弧光放电方法 [5,6]。 在此发现之后,启动了一定数量的科学研究项目,并且各种各样的方法用于综合 CNTs,即,弧光放电、激光汽化 [7] 和催化作用的化学气相沉积碳氢化合物 [8-10]。 从共价键是一个最严格本质上的碳碳,在沿 nanotubes 轴被安置的这些债券的理想的排列基础上的结构将导致极为严格的材料。 Nanotubes 是可以弯曲和被舒展到形状,不用在 nanotube 的严格和能适应结构 [11, 12 的] 灾难结构损坏。 年轻的模数和抗拉强度敌手金刚石 (1 泰罗的帕斯卡和 ~200 Giga 帕斯卡,分别) [13]。

作为增强的碳 Nanotubes 在合成材料

机械力量此意想不到的属性允许这些结构使用作为可能的加强的材料。 象当前碳纤维技术,这些 nanotubes 加强将允许非常将被生产的严格和轻的材料。 CNTs 这些属性受到了科学家的注意全世界,因为他们的吸收的被应用于 nanocomposite 材料的负荷高能力 [11-13]。

多被围住的碳在此研究中 Nanotube 根据 Nanocomposites

多被围住的碳 nanotubes (MWNTs) 将用于准备天然橡胶 (NR) nanocomposites。 我们的第一个工作成绩达到在 MWNTs/NR nanocomposites 的 nanostructures 将由合并在聚合物解决方法的 nanotubes 和随后蒸发这种溶剂形成。 使用此技术, nanotubes 在 NR 矩阵将同类地被分散为增加这些 nanocomposites 机械性能。 综合的属性例如抗拉强度、拉伸模数和伸长在中断被学习了。

实验

FC-CVD 反应器被设计生产 CNF & CNT。 碳 nanofibers/nanotube 的生产在当前工作的在一台水平的筒形反应器执行。 水平的反应器是长度 50 mm 和 900 mm 石英管直径的,加热被碳化硅发热设备。 用一支被绝缘的塑料管,他们中的一个为碳氢化合物来源和人一个彼此连接的二个圆锥形烧瓶催化剂来源的在筒形反应器前被安置了。 他们被联系了到反应器通过不锈窃取管道。 烧瓶,包含这种催化剂,在与温度调解器的热化壁炉台被安置了。 气体的二种类型用于此系统,使用了氢,当起反应的气体和闪动的氩航空的从这个系统和他们两个是由流量计控制的。 安置一台冷凝器,在反应器冷静冷却气体出口温度和被坑害的材料如简图和照片所显示在表 1. 后。

AZoNano - 纳米技术 - 被修改的 FC-CVD 简图。

被修改的 FC-CVD 简图。

碳 nanotubes 被添加了到天然橡胶作为补白。 天然橡胶,用于此研究,是标准马来西亚橡胶恒定的黏度 60 (SMR CV 60)。 nanocomposites 的准备被执行了通过使用一个溶解的铸件方法使用甲苯作为溶剂。 被添加的相当数量碳 nanotubes 是 1, 3, 5, 7 和 10 wt % 总重量的 10 克。

做天然橡胶/nanotubes 的进程作为 nanompcosite 材料分开成四个按照的进程。

Nanotubes 散射

此阶段在溶解介入 CNTs 解散/散射 (在这种情况下,甲苯) 为了解开典型地倾向于一起紧贴和形成团,变得非常难处理的 nanotubes。 对于此,碳 nanotubes 的某一数量或 nanofibers 被添加了到特定量的甲苯解决方法在仔细称以后 (为了维护 nanotubes 一个比重比例在解决方法的)。 此解决方法进一步被声波了处理使用一机械探测 sonicator (sonifier 的布兰松),以超声频率为了导致 nanotubes 或 nanofibers 高效的散射的能够振动。 对于此研究,不同的 CNT 解决方法准备 (包含 CNTs 以多种体重比) :

i) 1 wt % 包含在甲苯解决方法 10ml 的 CNTs

ii) 在甲苯解决方法 10ml 的 3 wt % CNTs

iii) 5 wt % 在甲苯解决方法 10ml 的 CNTs

iv) 在甲苯解决方法 10ml 的 7 wt % CNTs

v) 在甲苯解决方法 10ml 的 10 wt % CNTs。

橡胶的解散

此阶段在适当的有机溶液 (甲苯) 介入橡胶的解散。 使用平衡 (在这种情况下, 10 gms) 被称的特定量的橡胶被添加了到甲苯) 从而维护期望橡胶体重比的有机溶液 (500 ml 的某一数量。 此混合物为时间的某一期限被搅动了并且被保留了,直到橡胶在这种溶剂变得统一溶化。

混合橡胶与 Nanotube 解决方法

这是最后一步在融解准备进程中和基本上介入彻底混合解决方法准备在第一和第二级,造成包括 nanotubes 的好混合在橡胶的解决方法。

按和测试范例

nancomposite 材料 (与 CNTs 的橡胶) 被按了使用热新闻和剪切到标准形状。 范例然后被分析了,并且机械性能评定了。

结果和论述

多墙壁碳 Nanotubes 的生产 (MWCNTs)

通过使用浮动的催化剂化学气相沉积 (FC-CVD),在此研究工作, MWCNTs 被生产了。 要导致这些碳材料,碳原子在铁 (Fe) 催化剂面前一起结合。

铁 (Fe) 催化剂,以微粒形式从 ferrocene 的分解得到了。 由裂化生产的碳原子苯 CH66 担当了原材料。 这个产品从反应器和陶瓷小船的墙壁收集了,被安置在回应房间的中心。 每个关键参数的作用的研究对这个产量,纯度、平均碳材料的直径和配电器讨论,由于他们的行业重要性和更宽的适用性,然而更加巨大的在 CNTs 和较小程度 CNFs 重视了。 纯 CNTs 的生产条件被修理了在回应温度 850°C,氢流速 300 ml/min 和回应时间 45min。 CNTs 的直径从 2 毫微米变化到 30 毫微米,并且平均长度在 70 µm。

SEM 描述特性

使用 SEM,产生的碳 nanotubes 广泛地被分析了。 图 1 显示典型的 SEM 图象碳 nanotubes。 高纯度,碳 nanotube 列阵在表 1. 被观察了。 SEM 观察向显示这些碳 nanotubes 是十倍长微米 (50 微米) 与统一直径。 长的碳 nanotubes 的批量形态学是影片象和安置。 然而,图象表明产品是干净的除了一些纳米颗粒杂质。

AZoNano - 纳米技术 - 碳 nanotubes 回应温度 850°C,氢流速 300 ml/min 和回应时间 45min 的 SEM 图象。

AZoNano - 纳米技术 - 碳 nanotubes 回应温度 850°C,氢流速 300 ml/min 和回应时间 45min 的 SEM 图象。

碳 nanotubes 回应温度 850°C,氢流速 300 ml/min 和回应时间 45min 的 SEM 图象。

TEM 描述特性

TEM 被执行分析结构 nanotubes (图 2)。 要准备 TEM 范例,一些酒精在 nanotubes 影片被丢弃,然后,这些影片调用了与一把镊子到碳上漆的铜网格。

nanotubes 的 TEM 图象在表 3 (a) 存在。 它从图象是显然的,所有 nanotubes 是空心和筒形在形状。 在某些图象,催化剂微粒能被看到在 nanotubes 里面。 TEM 图象表明 nanotubes 是高纯度,与统一直径配电器并且在结构不包含残疾。 当图 3 时 (b) 显示碳 nanotubes 的高分辨率 (HRTEM)传输电子显微镜。 它向显示 CNT 一个高度被定购的水晶结构存在。 石墨的页清楚的附加费用由 0.34 毫微米很好分隔并且与往管轴的 2° 大约一个倾斜角对齐。

AZoNano - 纳米技术 - CNTs 的 TEM 图象在低分辨率的

AZoNano - 纳米技术 - CNTs 的 TEM 图象在高分辨率的。

CNTs (a) 低分辨率的 (b) 高分辨率的 TEM 图象。

碳 Nanotube/天然橡胶 Nanocomposites

在此研究工作,因为在先进的商业碳/橡胶综合和此的界面纳诺增强是这样工作第一次报告了,碳 nanotubes 被使用了。 碳 nanotubes 机械性能的理论上的预测如上所述,特别是他们的预测的高强度 (等级 60 GPa) 和模块 (~1 TPa),做他们可爱的候选人,在聚合物的增强装填材料根据结构上的综合。 在碳 nanotube 被加强的 CNT-NR 的最初的实验工作显示出,大请增加在有效模数,并且力量可以获得增加少量碳 nanotubes。

TEM 观察

通过使用透射电镜术, CNTs 散射在 SMR CV60 的被分析了 (TEM)。 一个稀薄的部分大约 100 毫微米用在 -120°C 的金刚石刀子削减观察 CNTs 散射在橡胶里面的。 在图, 4 (a) 短和长的 CNTs 被看见。 在此图显示了 CNTs 同源在 SMR CV60 矩阵被分配。 然而, CNTs 是开放的在两个末端在 CNTs 的散射期间到甲苯,使用超声频率振动和在混合在 SMR CV60 的 CNTs 期间由机械搅拌。 CNTs 之间的距离在这个矩阵是宽的,并且那做他们很好安置与他们之间的一点界面交往。 CNTs 的范围在 TEM 的显示从 2-20nm 的变化的直径和变化的长度,可以是短的或长期。 图 4 (b) 在这个矩阵显示一 3 wt % CNTs 的图象,被分散, CNTs 的取向在 SMR CV60 的变得安置和更加任意。 这个图也向显示 CNTs 是开放的在这个末端。 图 4 (c、 d 和 e) 在 SMR CV 60 显示 CNTs 在各自 5, 7 和 10 wt %。 图也表明 CNTs 的取向在这个矩阵的重点和张力扮演非常重要作用。 另一个系数认为重要在机械性能是长宽比; 如果长宽比高材料的力量将增加。

AZoNano - 纳米技术 - CNTs 的 TEM 图象在 SMR CV60、 1 wt % CNTs 和 3 wt % 的 CNTs。

AZoNano - 纳米技术 - CNTs 的 TEM 图象在 SMR CV60 的在 5 wt % CNTs 和 7 wt % CNTs。

AZoNano - 纳米技术 - CNTs 的 TEM 图象在 SMR CV60 的与 10 wt % CNTs。

CNTs 的 TEM 图象在 SMR CV60 (a) 的 1 wt % CNTs (b) 3 wt % CNTs (c) 5 wt % CNTs (d) 7 wt % CNTs 和 (e) 10 wt % CNTs。

纯碳 nanotube 的不同的百分比应力应变曲线 (1, 3, 5, 7 和 10 wt % CNTs) 与 SMR CV60 在表 5. 存在。 当相当数量 CNTs 浓度增加,抗拉强度根本地增加。 这个通用倾向是压力水平被扮演增强的角色 CNTs 的添加增加。 从这些结果,推导 CNTs 的加强的作用是非常明显的。 当在橡胶的 CNT 目录增加,逐渐压力水平增量,但是 nanocomposites 的张力同时减少。

AZoNano - 纳米技术 - SMR CV60 应力与 CNTs 的另外百分比的。

SMR CV60 应力与 CNTs 的另外百分比的。

重点的增加的级别归结于 CNTs 和橡胶之间的交往。 CNTs 和橡胶之间的一个好界面对材料是非常重要承受这个重点。 如上所述 CNTs 是非常严格的材料与补白比较的其他类型,因而做他们好候选人作为 nanofillers。 在负荷下,这个矩阵分配强制对运载大多数应用的负荷的 CNTs。

CNTs 的作用对 SMR CV 60 的年轻的模数。

同一种现象对年轻的模数被观察了。 综合的年轻的模数正常化与那这个纯矩阵在表 6. 存在。 结果表明年轻人模数增加了与在相当数量的一个增量在这种公式化的 CNTs。 然而,在 1 和 3 wt % CNTs,这个模数的增量不是一样高象那抗拉强度。 这个模数的同一个值和抗拉强度被观察了在 5 wt % CNTs。 当在 7 和 10 wt % 这个模数高于抗拉强度时。

AZoNano - 纳米技术 - SMR CV60 的新模数在 CNTs 的另外百分比的。

SMR CV60 的新模数在 CNTs 的另外百分比的。

CNTs 的作用对 SMR CV 60 的能量吸收

图 7 显示 nanocomposite 的韧性并且考虑相当数量能源要求破裂材料。 这个图通过增加相当数量显示那, CNTs 到 SMR CV60 必要的吸收能源破裂物质增量。 因为力量与必要的强制是按比例中断这个范例,并且张力在距离部件被评定 (即,这个距离这个范例被舒展),然后乘张力的力量与乘即反过来等于对能源的距离的强制是按比例:

力量 × 张力 ~ 强制 × 距离 = 能源

AZoNano - 纳米技术 - 显示作为 wt % 的功能的韧性 CNTs。

显示韧性作为 wt % 的功能 CNTs。

一般来说,重点增加与相当数量 CNTs 从 1-10 wt %。 因此这暗示在要求的这个能源的一个增量破裂材料。 有在张力的可忽略的减少在暗示的 1 和 3 wt % 延展性实际上保留在这些百分比。 在从 5-10 wt % 的图上显示的张力的被观察的减少没有对碳 nanotubes 的整体力量的作用由于在僵硬的更高的增量。 如这个图所显示吸收能源在 1,3,5,7 和 10 wt % 显示的增量一个通用趋势在僵硬的与在能源的增量,是 0.24, 0.38, 4.7, 10 个和 24 个 J 与是 0.12 J. 的纯分别比较了。 此增量可以归因于反过来增加橡胶的力量碳 nanotubes 的加强的属性。

结论

总之,我们展示了包括与 1-10 wt % 多被围住的碳 nanotubes 的 nanocomposite 的成功的制造天然橡胶矩阵 (MWCNTs)。 碳 nanotubes 为在先进的商业碳/橡胶综合的界面纳诺增强是应用的,并且这是这样工作报告的第一个尝试。 nanocomposites 的准备用一个溶解的铸件方法执行使用甲苯作为溶剂。 从这个图是确切纯 SMR CV60 最大重点是 0.2839 MPa。 当 1wt CNTs % 被添加了到橡胶 nanocomposite 材料的压力水平增加了从 0.2839 MPa 到 0.56413 MPa。 如图 5. 所显示, wt % CNTs 的添加对天然橡胶的逐渐增加了压力水平。 在 10 wt % CNTs 得到的重点值到达了 2.55 是 9 次纯天然橡胶的 MPa。 结果指示那,通过增加相当数量 CNTs 添加了到橡胶减少的延展性,并且材料变得更加严格和更加坚韧,但是同时更加易碎。 被观察的清楚的趋势这里是,当 nanotube 负荷增加,中断张力的纤维减少。 它也向显示最高的张力值为在 CNTs 的 1wt % 的 nanocomposite 得到了。 在此百分比的此综合是更加柔软和更弹性与 CNTs 比较的其他百分比。 在 1wt % 的张力值几乎是同一样纯橡胶的。 最小的张力值得到了在 10 wt % CNTs; 减少的张力值差不多 2.5 次 i.e.2.94 与是 7.34 的纯橡胶比较了。

鸣谢

作者感恩地在优先范围 (IRPA) 承认研究的国家激化此研究他们的财政支持的。

参考

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Muataz 阿里 Atieh
化工和环境大学 43400 UPM, Serdang 的部门
马来西亚

motazali@hotmail.com

Nazlia Girun
化工和环境大学 43400 UPM, Serdang 的部门
马来西亚

Fakhru'l-Razi Ahmadun
化工和环境大学 43400 UPM, Serdang 的部门
马来西亚

Chuah Teong Guan
化工和环境大学 43400 UPM, Serdang 的部门
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ElSadig Mahdi
航天工程学大学马来西亚 43400 UPM, Serdang 的部门
马来西亚

Dayang Radia Baik
化工和环境大学 43400 UPM, Serdang 的部门
马来西亚

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

Last Update: 13. June 2013 06:17

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