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DOI : 10.2240/azojono0125

Produzindo Testes Padrões de Grade Controlada de Disposições de Nanotube para Reforçar Compostos do Polímero

 

DESYGN a TI - Edição Especial

Projecto, Síntese e Crescimento de Nanotubes para a Tecnologia Industrial

 
 

Emer Lahiff, Kentaro Nakajima, A.I. Minett e W.J. Blau

PTY Ltd. de Copyright AZoM.com

Este é um artigo do Sistema das Recompensas do Acesso Aberto do AZo (AZo-REMOS) distribuído sob os termos dos AZo-REMOS http://www.azonano.com/oars.asp que o uso ilimitado das licenças forneceu o trabalho original correctamente é mencionado mas limitado à distribuição e à reprodução não comerciais.

Submetido: 6 de novembro de 2007th

Afixado: 16 de novembro de 2007th

Assuntos Cobertos

Sumário

Introdução

Experimental

Modelação da Fotolitografia

Photomask

Selos do Elastómetro

Selos do Elastómetro de PDMS

Modelação do Catalizador

Resultados e Discussão

Conclusões

Reconhecimentos

Referências

Detalhes do Contacto

Sumário

Para maximizar o efeito do reforço do nanotube (CNT) do carbono em um filme fino do polímero, quando o índice de minimização do nanotube, uma maneira verificável de variar a fracção de volume de CNTs dentro do composto for necessário. Aqui nós descrevemos a fabricação de testes padrões de grade verificáveis de CNT em uma carcaça do óxido de silicone pelo Depósito de Vapor Químico (CVD). Variando as separações da grade nós podemos manipular a quantidade de CNTs actual nas carcaças. Estes disposições como-crescidas do nanotube podem facilmente ser incorporados em um filme fino do polímero ereto livre como demonstrados recentemente [1]. Os nanotubes Encaixados reforçam mecanicamente um polímero e igualmente fornecem uma rede de caminhos da condução através de uma matriz de isolamento do polímero. As condutibilidades Mecânicas do reforço, as elétricas e as térmicas do material composto dependem do lugar e da concentração destes canais da condução.

A modelação Macia da litografia do catalizador usado durante a produção do nanotube permite o posicionamento selectivo de disposições de CNT. os nanotubes Multi-Murados do carbono foram crescidos pela decomposição do acetileno em uma câmara do CVD.

Introdução

É bem documentado que os nanotubes do carbono têm uma variedade enorme de aplicações potenciais. Isto é devido a suas condutibilidades elétricas e térmicas altas, força excepcional, rigidez e capacidade recuperar sua forma original após a compressão [2-5]. Os nanotubes do Carbono podem ser crescidos pelos processos diferentes que incluem; descarga de arco, ablação do laser e depósito de vapor químico. O mais prometedor destas técnicas é o CVD que permite que CNTs seja crescido in situ nas carcaças pre-modeladas [6]. Quando modelar for feita convencionalmente pela fotolitografia, um método novo chamado modelação macia da litografia tem sido demonstrado recentemente para ser mais eficiente, econômico e versátil [7-10]. Nanotubes é do interesse tremendo ambos em sua forma original, e igualmente como parte de um material composto. Os nanotubes Encaixados em matrizes do polímero aumentam as propriedades materiais aumentando a força e a condutibilidade mecânicas [11-13]. Contudo, quando a formação composta for realizada na solução, de CNTs agregados do formulário geralmente que têm propriedades reduzidas em comparação com as câmaras de ar individuais. Também, porque transferência óptima da carga do polímero ao CNTs encaixado, deve haver uma relação forte entre as câmaras de ar e a matriz. Estes são mas dois dos problemas associados com a produção composta e eles do CNT-polímero foram endereçados por muitos grupos de investigação. As soluções Possíveis incluem o tratamento do plasma que conduz à dispersão aumentada [14] e ao functionalisation do CNTs [15]. A incorporação Bem Sucedida de CNTs em matrizes do polímero podia conduzir às aplicações incluir; ecrãs planos, sensores, dispositivos electrónicos flexíveis, e actuadores [16-18]. Antes de realizar sua capacidade plena, as introduções da produção verificável e econômica de nanotubes e de seus compostos subseqüentes, devem ser superadas.

Nós temos relatado previamente um método eficiente e eficaz na redução de custos de incorporar os nanotubes em um poli (dimethylsiloxane), PDMS do carbono, matriz do polímero [1]. Usando esta técnica nós podíamos incorporar disposições como-crescidas de CNT em um composto. Isto elimina a necessidade de dispersar o CNTs antes da formação composta. Igualmente permite o controle sobre a posição e a densidade dos nanotubes encaixados. A morfologia dos nanotubes encaixados pode ser controlada alterando as condições do CVD usadas para crescer o CNTs [19].

Aqui nós descrevemos o sentido subseqüente de nossa pesquisa que é variar a fracção de volume de CNTs em um polímero reforçado. Isto é feito por disposições crescentes de CNT em testes padrões de grade. Previamente nós relatamos usando linhas paralelas de disposições de CNT que reforçam somente no sentido paralelo às linhas. Os testes padrões de Grade contudo permitem o reforço mecânico no y-plano do x e de um composto do filme fino. Geralmente as linhas de grade são 5μm largos e a separação entre linhas é aumentada para variar a fracção de volume de CNTs crescida na superfície da carcaça. Nós usaremos então estes CNTs como-crescido para reforçar filmes finos do polímero pela rotação que reveste um polímero curável nas grades do nanotube.

Experimental

Os nanotubes do Carbono foram crescidos pelo CVD usando o acetileno, CH22, como a fonte de carbono. As Carcaças usadas para o crescimento do nanotube foram preparadas pela litografia macia que modela como descritas em outra parte [20-22]. Esta técnica emprega o uso de um selo do elastómetro, modelar uma solução do catalizador em uma carcaça do óxido de silicone. O selo é moldado de um mestre do silicone modelado por técnicas convencionais da fotolitografia (Figura 1A).

Figura 1. (a): Diagrama Esquemático de modelar uma fotolitografia tradicional de utilização mestra do silicone. (b): Diagrama Esquemático de moldar um selo do elastómetro de um mestre do silicone. O selo pode então ser usado para a modelação macia da litografia. Muitos selos podem ser moldados do mesmo mestre.

Modelação da Fotolitografia

A primeira etapa na modelação da fotolitografia do mestre era projectar um cromo positivo no quartzo do nível superior, 4inch x 4inch x photomask de 0.06inch. A máscara foi projectada usando o software de Kic 2,4 [23] e então manufacturado pelo Ltd de Photronics (Gales). O projecto que nós escolhemos era testes padrões de grade com afastamento incremental entre linhas de grade. A posição de linhas de grade corresponde ao lugar eventual de disposições de CNT. Daqui, nós diminuímos sistematicamente a fracção de volume de CNTs crescida na superfície da carcaça aumentando o afastamento da inter-grade. Pretende-se que estes testes padrões de grade de CNT estejam incorporados em compostos do filme fino. Nós teremos conseqüentemente um método de controlar a fracção de volume dos nanotubes encaixados dentro de uma matriz do polímero. Está o lugar e a uma densidade das redes encaixadas do nanotube que determinam as propriedades mecânicas, elétricas e térmicas do material composto. Gridlines foi projectado ser 5ƒÊm largamente com separações de 5μm a 75μm.

Photomask

Este photomask foi usado então para transferir o teste padrão de grade em um mestre do silicone. Uma bolacha de silicone foi limpada primeiramente usando um peróxido/solução ácida sulfúrica (HSO24: HO22 na relação do 3:1) e pre-cozido para remover alguma água residual. Em Seguida uma camada de HMDS (hexamethyldisilazane), promotor de adesão era molde da rotação no silicone seguido pelo fotoresistente do positivo de Shipley 1813. O photomask foi colocado sobre o fotoresistente e as áreas desmascaradas depolymerised pela exposição a UV. Após a exposição UV, o revelador de Shipley MF 319 foi usado para remover as áreas do fotoresistente que tinham degradado. O teste padrão foi transferido gravura a água-forte de íon reactiva, RIE, do silicone expor. RIE envolveu o uso do gás4 dos CF em um caudal de 50 centímetros cúbicos padrão pela acta (sccm), a potência do rf em 100W e uma pressão de 1 Torr. O tempo gravura em àgua forte era 15min. O mestre gravado era imaged pela Microscopia de Elétron da Exploração da Emissão de Campo (FESEM) e um perfil da altura foi obtido pela interferometria.

Selos do Elastómetro

O passo seguinte era moldar selos do elastómetro deste mestre do silicone. O elastómetro usado é poli (dimethylsiloxane), PDMS, (Dow Corning). Este é um polímero hidrofóbica e aderirá fortemente ao mestre do silicone. A razão para esta selagem irreversível é a formação - ligações do O-Si-o por uma reacção de condensação dos grupos do silanol no PDMS e - de Oh-conter covalent grupos funcionais no silicone. Daqui nós devemos fazer o mestre hidrofóbica antes de moldar os selos. Isto é feito usando o fluorosilane como um promotor da liberação. Primeiramente o mestre do silicone é limpado e activado por UV/ozone para 30mins. Imediatamente depois da activação, a carcaça é colocada em um dessecador junto com aproximadamente 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) - trichlorosilane, (Madeira De Carvalho Produtos Inc.). O dessecador é bombeado para baixo a uma pressão de 2,0 mbar. Após 60 minutos o dessecador é exalado com ar. A carcaça é introduzida então em um forno pré-aquecido em 60ºC para 45min.

Selos do Elastómetro de PDMS

Os selos do elastómetro de PDMS foram moldados do mestre hidrofóbica do silicone (Figura 1B). Uma mistura da base de PDMS: agente de cura, em uns 10: 1 relação, era molde da gota no mestre e permitido curar-se sob circunstâncias atmosféricas durante 4 dias. Os selos curados de PDMS liberados então facilmente do mestre e como esperado, os selos indicaram a topologia inversa dos mestres. Isto foi verificado pela interferometria. Os Selos estavam na região de 1cm grosso.

Modelação do Catalizador

Os selos foram usados então para modelar um ferro que contem o catalizador para o crescimento de CNT. Poli (estireno-vinylferrocene), foi sintetizado aniònica pelos autores, e caracterizado pela Cromatografia da Permeação da Ressonância Magnética Nuclear e do Gel (não mostrada) para determinar seu índice de ferro (2,1%). A Análise Gravimétrica Térmica mostrou que entre 350ºC e 450ºC, 93% do polímero decompor. Igualmente confirmou que 4% das partículas do catalizador (presumivelmente ferro ou óxido de ferro) permaneceu 800º no ‹C. Daqui, este catalizador era apropriada para o uso no crescimento do CVD CNT, que foi determinado previamente ser óptimo em 700ºC [19].

O catalizador de PS-PVF foi modelado em 100nm SiO2, que é suficientemente acima da espessura crítica de 50nm onde a velocidade do crescimento de NT satura [24]. O CVD foi executado sob o argônio na pressão atmosférica. O caudal do gás de portador do argônio era 200sccm. O gás activo usado era acetileno. O caudal para o acetileno era 200sccm. CNTs foi crescido em 700ºC (em fibras do carbono 800ºC com maior então formulário 100nm dos diâmetros) e o tempo do depósito pode ser variado de 10min a 1hr segundo o comprimento de CNTs exigiu.

Resultados e Discussão

Os testes padrões de Grade foram gravados em um mestre do silicone (Figura 2). 4inch x o mestre de 4inch foram separados em 15 secções. Cada secção conteve testes padrões de grade de 5μm com os afastamentos que variam de 5-75μm. Isto correspondeu às fracções de volume de 12-92%.

A Figura 2. FESEM (a) mostra a um silicone os testes padrões de grade de indicação mestres. A Interferometria (b) mostra o perfil da altura do mestre.

O mestre foi tratado então com o fluorosilane para formar uma superfície com baixa energia livre interfacial. O ângulo de contacto foi medido para mudar de uma média 16º do ± 2º a um valor médio 114º do ± 6º, que era estável por mais de 45 dias. Os selos do Elastómetro então foram moldados do mestre e liberados facilmente. A Interferometria mostrou que a profundidade das características nos selos era 492nm (Figura 3). Estes selos foram usados como tratamento produzido e nenhum mais adicional era necessário. Os métodos Precedentes [7,8,10] descreveram o hydrophilization de selos de PDMS para fazê-los compatíveis com as soluções do catalizador a ser modeladas. Esta etapa é desnecessária com nosso material do catalizador.

Figura 3. Uma varredura da interferometria mostra a topologia de superfície do selo e dá um perfil da altura de 492nm.

Os selos foram usados para modelar uma solução do catalizador em carcaças2 de SiO. O catalizador usado era poli (estireno-vinylferrocene), PS-PVF. A peça do vinylferrocene deste polímero contem um núcleo de ferro que seja activo como um catalizador para o crescimento de CNT nas temperaturas usadas nestas experiências. O pó do polímero de PS-PVF foi dissolvido no tolueno. O tetrahydrofuran foi usado Inicialmente como o solvente mas, nós obtivemos a qualidade aumentada do teste padrão usando o tolueno. O Tolueno incha segundo as informações recebidas PDMS [22] mas para nossos tamanhos de característica de 5μm nós não encontramos nenhum efeito adverso na qualidade do teste padrão. Nós pudemos igualmente reúso os selos de PDMS um número de vezes antes que a qualidade do teste padrão começou a degradar. Nós usamos uma solução de 4wt% (variar a concentração da solução pode ser usada como um método para controlar a densidade do crescimento do nanotube [19]). Uma gota da solução de PS-PVF foi colocada nas carcaças2 de SiO. O selo do elastómetro foi trazido então no contacto com a carcaça. A solução do catalizador migra nos sulcos no selo, foi deixado durante a noite para que o tolueno evapore e quando o selo foi removido revelou uma carcaça modelada segundo as indicações de Figura 4.

Figura 4. micro-testes padrões do Catalizador gerados pela modelação macia da litografia. O afastamento entre gridlines é 10, 25 e 50μm (esquerda para a direita). A largura dos gridlines é constante em 5μm.

A modelação Macia da litografia permite que nós limitem as partículas do catalizador dentro das dimensões de nossos testes padrões. Conseqüentemente durante o CVD nós esperaríamos que o CNTs cresce somente dentro das dimensões das grades que foi observado em Figura 5.

Figura 5. Após o CVD, o crescimento do nanotube do carbono ocorreu somente nas áreas micro-modeladas da carcaça. CNTs foi crescido em grades com afastamento de 10μm (a) e afastamento de 50μm (b). (c) e (d) mostram uma ampliação mais alta dos nanotubes crescidos dentro das dimensões das grades.

Conclusões

Em conclusão, nós relatamos uma técnica barata evolutiva para crescer testes padrões de grade de disposições do nanotube. O afastamento da inter-grade pode ser costurado como necessário dando um método simples de controlar a fracção de volume dos nanotubes crescidos em nossas carcaças. É nossa intenção incorporar estas disposições de CNT em um composto autônomo flexível do filme fino. Para fazer este nós empregaremos um método novo da produção composta previamente descrito e demonstrado pelos autores.

Usando a litografia macia que modela nós podemos selectivamente posicionar os canais da condução de CNT e controlar sua fracção de volume dentro do composto. O composto pode então ser usado para as aplicações que exigem os canais condutores dentro de uma matriz dobrável. Estas aplicações incluem a eletrônica flexível, os protectores eletromagnéticos e os sensores.

Reconhecimentos

Os autores reconhecem a Autoridade Irlandesa do Ensino Superior (HEA), a Irlanda da Empresa e o Projecto de Investigação Visado Específico DESYGN-IT da UE (Nenhum NMP4-CT-2004-505626) para o suporte financeiro.

Os autores são igualmente gratos ao Prof. P.M. Ajayan e ao Prof. C.Y. Ryu, do Instituto Politécnico de Rensellaer, New York, e também, Prof. S. Curran da Universidade Estadual de New Mexico, para sua entrada inicial neste projecto.

Referências

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24. A. Cao, P.M. Ajayan, G. Ramanath, R. Baskaran, K. Turner, Appl. Phys. Lett., 84 (1), 109, 2004

Detalhes do Contacto

Werner J. Blau, Dr. Emer Lahiff, Andrew I. Minett e Dr. Kentaro Nakajima

Centro de Pesquisa do Polímero da Irlanda dos Materiais
Escola da Física,
Faculdade Dublin da Trindade
Dublin 2
Irlanda

Email: wblau@tcd.ie

 

 

Date Added: Nov 14, 2007 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:28

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