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DOI : 10.2240/azojono0106

多牆壁碳 Nanotubes/天然橡膠 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

張貼: 2005年 11月th 29日

包括的事宜

摘要

簡介

碳 Nanotubes

作為增強的碳 Nanotubes 在合成材料

多被圍住的碳在此研究中 Nanotube 根據 Nanocomposites

實驗

Nanotubes 散射

橡膠的解散

混合橡膠與 Nanotube 解決方法

按和測試範例

結果和論述

多牆壁碳 Nanotubes 的生產 (MWCNTs)

SEM 描述特性

TEM 描述特性

碳 Nanotube/天然橡膠 Nanocomposites

TEM 觀察

CNTs 的作用對天然橡膠的應力值

CNTs 的作用對 SMR CV 60 的年輕的模數。

CNTs 的作用對 SMR CV 60 的能量吸收

結論

鳴謝

參考

聯絡詳細資料

浮動的催化劑化學氣相沉積 (FC-CVD) 方法被設計并且被製造導致優質和數量碳 nanotubes。 設計參數喜歡氫流速; 回應時間和回應溫度被優選導致多牆壁碳 Nanotubes 高產量和純度 (MWCNTs)。 多被圍住的碳 Nanotubes (MWNTs) 用於準備天然橡膠 (NR) nanocomposites。 我們的第一個工作成績達到在 MWNTs/NR nanocomposites 的 nanostructures 由合併在聚合物解決方法的碳 nanotubes 和隨後蒸發這種溶劑形成。 使用此技術, nanotubes 在 NR 矩陣可以同類地被分散為增加這些 nanocomposites 機械性能。 nanocomposites 的屬性例如抗拉強度、拉伸模數、伸長在中斷和堅硬被學習了。 機械檢驗結果關於純 NR 顯示在最初的模數的一個增量 12 次。 除機械測試之外, MWNTs 的散射狀態到 NR 裡由透射電鏡術學習 (TEM)為了瞭解這個發生的系統的形態學。

研究在新的材料技術受到全世界研究的注意。 發展做改進材料的屬性並且查找可能贈送在材料的理想的屬性的替代前體。 巨大利息在 nanostructured 碳材料區最近開發了。 碳 nanostructures 是情況與越來越迅速地生長在這個十年期間或如此從在 buckminsterfullerene 的發現的上利息的嚴重的商業重要,碳 nanotubes 和碳 nanofibers。

碳 Nanotubes

碳 nanotubes (CNTs) 陳列唯一機械,電子和磁性,造成他們廣泛被學習 [1-3]。 CNTs 只很可能是比鋼將存在與抗拉強度極大的最嚴格的物質,但是六分之一重量鋼 [4]。 Iijima (1991) 第一發現了碳 nanotubes (CNTs) 使用弧光放電方法 [5,6]。 在此發現之後,啟動了一定數量的科學研究項目,并且各種各樣的方法用於綜合 CNTs,即,弧光放電、激光汽化 [7] 和催化作用的化學氣相沉積碳氫化合物 [8-10]。 從共價鍵是一个最嚴格本質上的碳碳,在沿 nanotubes 軸被安置的這些債券的理想的排列基礎上的結構將導致極為嚴格的材料。 Nanotubes 是可以彎曲和被舒展到形狀,不用在 nanotube 的嚴格和能適應結構 [11, 12 的] 災難結構損壞。 年輕的模數和抗拉強度敵手金剛石 (1 泰羅的帕斯卡和 ~200 Giga 帕斯卡,分別) [13]。

作為增強的碳 Nanotubes 在合成材料

機械力量此意想不到的屬性允許這些結構使用作為可能的加強的材料。 像當前碳纖維技術,這些 nanotubes 加強將允許非常將被生產的嚴格和輕的材料。 CNTs 這些屬性受到了科學家的注意全世界,因為他們的吸收的被應用於 nanocomposite 材料的負荷高能力 [11-13]。

多被圍住的碳在此研究中 Nanotube 根據 Nanocomposites

多被圍住的碳 nanotubes (MWNTs) 將用於準備天然橡膠 (NR) nanocomposites。 我們的第一個工作成績達到在 MWNTs/NR nanocomposites 的 nanostructures 將由合併在聚合物解決方法的 nanotubes 和隨後蒸發這種溶劑形成。 使用此技術, nanotubes 在 NR 矩陣將同類地被分散為增加這些 nanocomposites 機械性能。 綜合的屬性例如抗拉強度、拉伸模數和伸長在中斷被學習了。

實驗

FC-CVD 反應器被設計生產 CNF & CNT。 碳 nanofibers/nanotube 的生產在當前工作的在一臺水平的筒形反應器執行。 水平的反應器是長度 50 mm 和 900 mm 石英管直徑的,加熱被碳化硅發熱設備。 用一支被绝緣的塑料管,他們中的一個為碳氫化合物來源和人一個彼此連接的二個圓錐形燒瓶催化劑來源的在筒形反應器前被安置了。 他們被聯繫了到反應器通過不鏽竊取管道。 燒瓶,包含這種催化劑,在與溫度調解器的熱化壁爐臺被安置了。 氣體的二種類型用於此系統,使用了氫,當起反應的氣體和閃動的氬航空的從這個系統和他們兩個是由流量計控制的。 安置一臺冷凝器,在反應器冷靜冷卻氣體出口溫度和被坑害的材料如簡圖和照片所顯示在表 1. 後。

AZoNano - 納米技術 - 被修改的 FC-CVD 簡圖。

被修改的 FC-CVD 簡圖。

碳 nanotubes 被添加了到天然橡膠作為補白。 天然橡膠,用於此研究,是標準馬來西亞橡膠恆定的黏度 60 (SMR CV 60)。 nanocomposites 的準備被執行了通過使用一個溶解的鑄件方法使用甲苯作為溶劑。 被添加的相當數量碳 nanotubes 是 1, 3, 5, 7 和 10 wt % 總重量的 10 克。

做天然橡膠/nanotubes 的進程作為 nanompcosite 材料分開成四個按照的進程。

Nanotubes 散射

此階段在溶解介入 CNTs 解散/散射 (在這種情況下,甲苯) 為了解開典型地傾向於一起緊貼和形成團,變得非常難處理的 nanotubes。 對於此,碳 nanotubes 的某一數量或 nanofibers 被添加了到特定量的甲苯解決方法在仔細稱以後 (為了維護 nanotubes 一個比重比例在解決方法的)。 此解決方法進一步被聲波了處理使用一機械探測 sonicator (sonifier 的布蘭松),以超聲頻率為了導致 nanotubes 或 nanofibers 高效的散射的能够振動。 對於此研究,不同的 CNT 解決方法準備 (包含 CNTs 以多種體重比) :

i) 1 wt % 包含在甲苯解決方法 10ml 的 CNTs

ii) 在甲苯解決方法 10ml 的 3 wt % CNTs

iii) 5 wt % 在甲苯解決方法 10ml 的 CNTs

iv) 在甲苯解決方法 10ml 的 7 wt % CNTs

v) 在甲苯解決方法 10ml 的 10 wt % CNTs。

橡膠的解散

此階段在適當的有機溶液 (甲苯) 介入橡膠的解散。 使用平衡 (在這種情況下, 10 gms) 被稱的特定量的橡膠被添加了到甲苯) 從而維護期望橡膠體重比的有機溶液 (500 ml 的某一數量。 此混合物為時間的某一期限被攪動了并且被保留了,直到橡膠在這種溶劑變得統一溶化。

混合橡膠與 Nanotube 解決方法

這是最後一步在融解準備進程中和基本上介入徹底混合解決方法準備在第一和第二級,造成包括 nanotubes 的好混合在橡膠的解決方法。

按和測試範例

nancomposite 材料 (與 CNTs 的橡膠) 被按了使用熱新聞和剪切到標準形狀。 範例然後被分析了,并且機械性能評定了。

結果和論述

多牆壁碳 Nanotubes 的生產 (MWCNTs)

通過使用浮動的催化劑化學氣相沉積 (FC-CVD),在此研究工作, MWCNTs 被生產了。 要導致這些碳材料,碳原子在鐵 (Fe) 催化劑面前一起結合。

鐵 (Fe) 催化劑,以微粒形式從 ferrocene 的分解得到了。 由裂化生產的碳原子苯 CH66 擔當了原材料。 這個產品從反應器和陶瓷小船的牆壁收集了,被安置在回應房間的中心。 每個關鍵參數的作用的研究對這個產量,純度、平均碳材料的直徑和配電器討論,由於他們的行業重要性和更寬的適用性,然而更加巨大的在 CNTs 和較小程度 CNFs 重視了。 純 CNTs 的生產條件被修理了在回應溫度 850°C,氫流速 300 ml/min 和回應時間 45min。 CNTs 的直徑從 2 毫微米變化到 30 毫微米,并且平均長度在 70 µm。

SEM 描述特性

使用 SEM,產生的碳 nanotubes 廣泛地被分析了。 圖 1 顯示典型的 SEM 圖像碳 nanotubes。 高純度,碳 nanotube 列陣在表 1. 被觀察了。 SEM 觀察向顯示這些碳 nanotubes 是十倍長微米 (50 微米) 與統一直徑。 長的碳 nanotubes 的批量形態學是影片像和安置。 然而,圖像表明產品是乾淨的除了一些納米顆粒雜質。

AZoNano - 納米技術 - 碳 nanotubes 回應溫度 850°C,氫流速 300 ml/min 和回應時間 45min 的 SEM 圖像。

AZoNano - 納米技術 - 碳 nanotubes 回應溫度 850°C,氫流速 300 ml/min 和回應時間 45min 的 SEM 圖像。

碳 nanotubes 回應溫度 850°C,氫流速 300 ml/min 和回應時間 45min 的 SEM 圖像。

TEM 描述特性

TEM 被執行分析結構 nanotubes (圖 2)。 要準備 TEM 範例,一些酒精在 nanotubes 影片被丟棄,然後,這些影片調用了與一把鑷子到碳上漆的銅網格。

nanotubes 的 TEM 圖像在表 3 (a) 存在。 它從圖像是顯然的,所有 nanotubes 是空心和筒形在形狀。 在某些圖像,催化劑微粒能被看到在 nanotubes 裡面。 TEM 圖像表明 nanotubes 是高純度,與統一直徑配電器并且在結構不包含殘疾。 當圖 3 時 (b) 顯示碳 nanotubes 的高分辨率 (HRTEM)傳輸電子顯微鏡。 它向顯示 CNT 一個高度被定購的水晶結構存在。 石墨的頁清楚的附加費用由 0.34 毫微米很好分隔并且與往管軸的 2° 大約一個傾斜角對齊。

AZoNano - 納米技術 - CNTs 的 TEM 圖像在低分辨率的

AZoNano - 納米技術 - CNTs 的 TEM 圖像在高分辨率的。

CNTs (a) 低分辨率的 (b) 高分辨率的 TEM 圖像。

碳 Nanotube/天然橡膠 Nanocomposites

在此研究工作,因為在先進的商業碳/橡膠綜合和此的界面納諾增強是這樣工作第一次報告了,碳 nanotubes 被使用了。 碳 nanotubes 機械性能的理論上的預測如上所述,特別是他們的預測的高強度 (等級 60 GPa) 和模塊 (~1 TPa),做他們可愛的候選人,在聚合物的增強裝填材料根據結構上的綜合。 在碳 nanotube 被加強的 CNT-NR 的最初的實驗工作顯示出,大请增加在有效模數,并且力量可以獲得增加少量碳 nanotubes。

TEM 觀察

通過使用透射電鏡術, CNTs 散射在 SMR CV60 的被分析了 (TEM)。 一個稀薄的部分大約 100 毫微米用在 -120°C 的金剛石刀子削減觀察 CNTs 散射在橡膠裡面的。 在圖, 4 (a) 短和長的 CNTs 被看見。 在此圖顯示了 CNTs 同源在 SMR CV60 矩陣被分配。 然而, CNTs 是開放的在兩個末端在 CNTs 的散射期間到甲苯,使用超聲頻率振動和在混合在 SMR CV60 的 CNTs 期間由機械攪拌。 CNTs 之間的距離在這個矩陣是寬的,并且那做他們很好安置與他們之間的一點界面交往。 CNTs 的範圍在 TEM 的顯示從 2-20nm 的變化的直徑和變化的長度,可以是短的或長期。 圖 4 (b) 在這個矩陣顯示一 3 wt % CNTs 的圖像,被分散, CNTs 的取向在 SMR CV60 的變得安置和更加任意。 這個圖也向顯示 CNTs 是開放的在這個末端。 圖 4 (c、 d 和 e) 在 SMR CV 60 顯示 CNTs 在各自 5, 7 和 10 wt %。 圖也表明 CNTs 的取向在這個矩陣的重點和張力扮演非常重要作用。 另一個系數認為重要在機械性能是長寬比; 如果長寬比高材料的力量將增加。

AZoNano - 納米技術 - CNTs 的 TEM 圖像在 SMR CV60、 1 wt % CNTs 和 3 wt % 的 CNTs。

AZoNano - 納米技術 - CNTs 的 TEM 圖像在 SMR CV60 的在 5 wt % CNTs 和 7 wt % CNTs。

AZoNano - 納米技術 - CNTs 的 TEM 圖像在 SMR CV60 的與 10 wt % CNTs。

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

純碳 nanotube 的不同的百分比應力應變曲線 (1, 3, 5, 7 和 10 wt % CNTs) 與 SMR CV60 在表 5. 存在。 當相當數量 CNTs 濃度增加,抗拉強度根本地增加。 這個通用傾向是壓力水平被扮演增強的角色 CNTs 的添加增加。 從這些結果,推導 CNTs 的加強的作用是非常明顯的。 當在橡膠的 CNT 目錄增加,逐漸壓力水平增量,但是 nanocomposites 的張力同時減少。

AZoNano - 納米技術 - SMR CV60 應力與 CNTs 的另外百分比的。

SMR CV60 應力與 CNTs 的另外百分比的。

重點的增加的級別歸結於 CNTs 和橡膠之間的交往。 CNTs 和橡膠之間的一個好界面對材料是非常重要承受這個重點。 如上所述 CNTs 是非常嚴格的材料與補白比較的其他類型,因而做他們好候選人作為 nanofillers。 在負荷下,這個矩陣分配強制對運載大多數應用的負荷的 CNTs。

CNTs 的作用對 SMR CV 60 的年輕的模數。

同一種現象對年輕的模數被觀察了。 綜合的年輕的模數正常化與那這個純矩陣在表 6. 存在。 結果表明年輕人模數增加了與在相當數量的一個增量在這種公式化的 CNTs。 然而,在 1 和 3 wt % CNTs,這個模數的增量不是一樣高像那抗拉強度。 這個模數的同一個值和抗拉強度被觀察了在 5 wt % CNTs。 當在 7 和 10 wt % 這個模數高於抗拉強度時。

AZoNano - 納米技術 - SMR CV60 的新模數在 CNTs 的另外百分比的。

SMR CV60 的新模數在 CNTs 的另外百分比的。

CNTs 的作用對 SMR CV 60 的能量吸收

圖 7 顯示 nanocomposite 的韌性并且考慮相當數量能源要求破裂材料。 這個圖通過增加相當數量顯示那, CNTs 到 SMR CV60 必要的吸收能源破裂物質增量。 因為力量與必要的強制是按比例中斷這個範例,并且張力在距離部件被評定 (即,這個距離這個範例被舒展),然後乘張力的力量與乘即反過來等於對能源的距離的強制是按比例:

力量 × 張力 ~ 強制 × 距離 = 能源

AZoNano - 納米技術 - 顯示作為 wt % 的功能的韌性 CNTs。

顯示韌性作為 wt % 的功能 CNTs。

一般來說,重點增加與相當數量 CNTs 從 1-10 wt %。 因此這暗示在要求的這個能源的一個增量破裂材料。 有在張力的可忽略的減少在暗示的 1 和 3 wt % 延展性實際上保留在這些百分比。 在從 5-10 wt % 的圖上顯示的張力的被觀察的減少沒有對碳 nanotubes 的整體力量的作用由於在僵硬的更高的增量。 如這個圖所顯示吸收能源在 1,3,5,7 和 10 wt % 顯示的增量一個通用趨勢在僵硬的與在能源的增量,是 0.24, 0.38, 4.7, 10 个和 24 个 J 與是 0.12 J. 的純分別比較了。 此增量可以歸因於反過來增加橡膠的力量碳 nanotubes 的加強的屬性。

結論

總之,我們展示了包括與 1-10 wt % 多被圍住的碳 nanotubes 的 nanocomposite 的成功的製造天然橡膠矩陣 (MWCNTs)。 碳 nanotubes 為在先進的商業碳/橡膠綜合的界面納諾增強是應用的,并且這是這樣工作報告的第一個嘗試。 nanocomposites 的準備用一個溶解的鑄件方法執行使用甲苯作為溶劑。 從這個圖是確切純 SMR CV60 最大重點是 0.2839 MPa。 當 1wt CNTs % 被添加了到橡膠 nanocomposite 材料的壓力水平增加了從 0.2839 MPa 到 0.56413 MPa。 如圖 5. 所顯示, wt % CNTs 的添加對天然橡膠的逐漸增加了壓力水平。 在 10 wt % CNTs 得到的重點值到達了 2.55 是 9 次純天然橡膠的 MPa。 結果指示那,通過增加相當數量 CNTs 添加了到橡膠減少的延展性,并且材料變得更加嚴格和更加堅韌,但是同時更加易碎。 被觀察的清楚的趨勢這裡是,當 nanotube 負荷增加,中斷張力的纖維減少。 它也向顯示最高的張力值為在 CNTs 的 1wt % 的 nanocomposite 得到了。 在此百分比的此綜合是更加柔軟和更彈性與 CNTs 比較的其他百分比。 在 1wt % 的張力值幾乎是同一樣純橡膠的。 最小的張力值得到了在 10 wt % CNTs; 減少的張力值差不多 2.5 次 i.e.2.94 與是 7.34 的純橡膠比較了。

鳴謝

作者感恩地在優先範圍 (IRPA) 承認研究的國家激化此研究他們的財政支持的。

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Muataz 阿里 Atieh
化工和環境大學 43400 UPM, Serdang 的部門
馬來西亞

motazali@hotmail.com

Nazlia Girun
化工和環境大學 43400 UPM, Serdang 的部門
馬來西亞

Fakhru'l-Razi Ahmadun
化工和環境大學 43400 UPM, Serdang 的部門
馬來西亞

Chuah Teong Guan
化工和環境大學 43400 UPM, Serdang 的部門
馬來西亞

ElSadig Mahdi
航天工程學大學馬來西亞 43400 UPM, Serdang 的部門
馬來西亞

Dayang Radia Baik
化工和環境大學 43400 UPM, Serdang 的部門
馬來西亞

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

Last Update: 13. June 2013 06:21

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