Zelle und Eigentums-Wechselbeziehung von Bionanocomposites Unter Verwendung der Thermischen Nano-Analyse und des Nano--TA von Anasys-Instrumenten

Themen Umfaßt

Einleitung
Experimentelle Sonderkommandos
Materialien
Ergebnisse und Diskussion
Kristallisation von PLA-/xGnPZusammensetzungen (thermische Ergebnisse des Fühlers Nano--TA)
Schlussfolgerungen

Einleitung

Maßähnlichkeiten zwischen körperlichen Eigenschaften von Polymeren (wie Radius Drehung und Lamellenstärke) und Nano--groß Verstärkungspartikeln führen zu die Notwendigkeit, um über gefüllte Anlagen hinauszugehen und Polymerpartikel Interaktionen ausführlich zu erforschen, die für die verbesserten Eigenschaften von Polymer nanocomposites verantwortlich sind. Streuung ist eine Schlüsselfrage, wenn sie Polymer nanocomposites aufbereitet, und hat eine starke Auswirkung auf mechanische Eigenschaften. Im Gegensatz zu Phasentrennung (wahrscheinlicher auftreten, wenn mikro-groß Einfüllstutzen in den Polymeren enthalten werden), als der Größe der Einfüllstutzen in den Polymergrundmasseabnahmen, werden Streuung und Agglomeration die wichtigen beim Versuch ausgeglichen zu werden Probleme, leistungsstarke nanocomposites zu erreichen.

Im Falle der teilkristallinen Polymergrundmassen wurden die zahlreichen nanoparticles, die als Verstärkungen verwendet wurden, gezeigt, um als heterogene nucleating Agenzien aufzutreten und können als Zellen- und Morphologiedirektoren verwendet werden. Exfoliated Graphit-nanoplatelets (xGnP (TM) das eine Schutzmarke von XG Sciences, Inc. ist), wurden zu den nucleate teilkristallinen Polymergrundmassen wie Polypropylen gezeigt, und Poly (3-hydroxybutyrate) und bestimmten dramatische Veränderungen in den Kristallisationskinetik, Polymermorphologie und Eigenschaften der resultierenden Zusammensetzungen.

Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich auf der Anwendung des thermischen Fühlers Nano--TA für die Bewertung des nucleating Effektes von xGnP (TM) auf ein Biopolymer, Poly (L-Milchsäure) und auf das In Verbindung stehen von Modifikationen in der Morphologie des Polymers an den Änderungen in den mechanischen Eigenschaften der Zusammensetzungen.

Ist thermischer Fühler Nano--TA eine Lokalisierte Technik der Thermischen Analyse, die die hohen Ortsauflösungsdarstellungsfähigkeiten der Atomkraftmikroskopie mit der Fähigkeit, Verständnis des thermischen Verhaltens der Materialien mit einer Ortsauflösung von sub-100nm zu erreichen kombiniert. Die herkömmliche FLUGHANDBUCH-Spitze wird durch einen speziellen thermischen Fühler Nano--TA ausgetauscht, der eine eingebettete Miniaturheizung hat und wird durch die besonders konstruierten thermischen Kleinteile und die Software des Fühlers Nano--TA gesteuert. Das FLUGHANDBUCH aktiviert eine Oberfläche, an nanoscale Auflösung mit seinen routinemäßigen Aufnahmemodi sichtbar gemacht zu werden, die dem Benutzer erlaubt, die räumlichen Einbauorte auszuwählen, an denen die thermischen Eigenschaften der Oberfläche nachforschen. Der Benutzer holt dann diese Informationen ein, indem er lokal Wärme über die Fühlerspitze anwendet und die thermomechanische Antwort misst. Es hat einige Beispiele in der Literatur der Anwendung von sub-100nm gegeben, das auf dem Gebiet von Polymeren und von Pharmazeutischen Produkten LTA ist.

Experimentelle Sonderkommandos

Materialien

Zwei verschiedene Molekulargewichtpoly (L-Milchsäure) Proben wurden in dieser Studie verwendet: RESOMERR L209S und RESOMERR L210S. Die Exfoliated Graphit-nanoplatelets, die eine durchschnittliche Größe von 1 µm (xGnP-1) haben wurden in-house produziert. Das xGnP hat eine Fläche von ~100 m/g2 und besteht aus Plättchen ungefähr 10 nm in der Stärke und in 1 µm im Durchmesser.

Polymilchsäurezusammensetzungen mit erweiterten Graphit-nanoplatelets (PLA/xGnP-1) wurden durch das Lösungsmischen und Drucklufterzeugungsformteil vorbereitet. Das Laden xGnP-1 unterschied sich von 0 WT % bis 9 WT % für beide WINKEL- DES LEISTUNGSHEBELSproben (L209S und 210S).

Ergebnisse und Diskussion

Kristallisation von PLA-/xGnPzusammensetzungen (DSC-Analyse): Die Speichermoduln von Zusammensetzungen WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS/xGnP-1, erhöht bei Zunahme der Mengen xGnP-1 in der Polymergrundmasse. Polylactides sind teilkristalline Polymere und ihre mechanischen Eigenschaften, sowie werden die mechanischen Eigenschaften der Zusammensetzungen, für die sie als Grundmassen dienen, erwartet, um von der Kristallinität und von der Morphologie abzuhängen. Da die Sammelproben unter Verwendung des Drucklufterzeugungsformteils vorbereitet wurden, wurde eine dynamische Verarbeitungsmethode, die nonisothermal Kristallisation von der Schmelze analysiert, um die Unterschiede aufzuklären, die in den Speichermoduln beobachtet wurden.

Wie in Feige 1 gezeigt, deckte die DSC-Analyse von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S, von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S und von ihren Zusammensetzungen mit xGnP-1 auf, dass das Kristallisationsverhalten beider WINKEL- DES LEISTUNGSHEBELSproben beträchtlich durch xGnP-1 beeinflußt wurde. Niedrige Mengen xGnP-1 (bis 1% Gewicht) führen zu erhöhte Schmelzkristallisationstemperaturen, die einen nucleating Effekt der nanoplatelets anzeigten, ähnlich dem nucleating Effekt, der vor kurzem in polyhydroxybutyrate/xGnP-1 und in den Zusammensetzungen Polypropylen/xGnP-1 beobachtet wurde. Für 1% Gewicht xGnP-1, wurde ein klarer Unterschied in Feige 1 zwischen WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S und WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S beobachtet: für die WINKEL- DES LEISTUNGSHEBELSprobe mit niedrigem Molekulargewicht wurde eine nonisothermal Kristallisationskurve mit zwei Verfahren beobachtet, die mit den Streuungspunkten zusammenhängen könnte, die zu Behinderung des Kristallwachstums führen. Keine beträchtlichen Unterschiede bezüglich des Schmelzkristallisationsverhaltens wurden zwischen den Zusammensetzungen der zwei verschiedenen Molekulargewicht polylactides beobachtet, die höher Mengen xGnP-1 enthalten, Kristallisationskurven als 1% Gew. Mit Zwei Verfahren weiter für die erhöhten Mengen xGnP-1 in beiden Grundmassen beobachtet wurden und mögliche Agglomeration der Plättchen und der Schaffung der Polymer-reichen Regionen anzeigten.

Abbildung 1. DSC-Analyse der nonisothermal Kristallisation von der Schmelze (a) von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S und (b) von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS 210S

Die DSC-Analyse (Feige 2.) zeigte an, dass ordentlicher WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S und WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S bei 179-180 °C. schmelzen. Für beide Polymerzusammensetzungen mit xGnP-1, schmelzende Spitzen wurden mit zwei Verfahren aufgezeichnet. Zusätzliche Spitzen (Schultern) wurden bei °C 181-182 in den Proben beobachtet, die xGnP-1 enthalten. Die höheren Temperaturspitzen wurden den Polymerregionen zugeschrieben, die zwischen Graphit-nanoplatelets verleitet wurden, die den schmelzenden Übergang zurückschieben. Wie in Feige 2 gezeigt, deckte die DSC-Analyse auch, dass die ordentlichen Polymere kalte Kristallisation durchmachen, nach Heizung von der Raumtemperatur auf. Die kalten Kristallisationsspitzentemperaturen wurden zwischen °C 93 - 106, abhängig von der Heizquote aufgezeichnet. Jedoch entdeckte die DSC-Analyse kalte Kristallisation nicht nach Zusatz von xGnP-1 zu irgendeinem eine der Polymergrundmassen.

Abbildung 2. DSC-Thermogramme, welche die kalte Kristallisation und das Schmelzen (a) von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S und (b) von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S mit drei verschiedenen Heizquoten zeigen

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel des Effektes von xGnP-1 auf die Größe der kristallenen Zellen, die durch WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S mit dem nonisothermal Abkühlen von der Schmelze gebildet werden. Der ordentliche WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS bildet spherulitic Zellen 20 - µm 100 im Durchmesser (Abbildung 3a). Die Einführung von 0.01% Gewicht xGnP-1 führt zu Entstehung von viel kleineren kristallenen Zellen (Abbildung 3, B), während kristallene Zellen nicht unter Verwendung der optischen Mikroskopie nachweisbar waren, als die Mengen von xGnP-1 1 WT % überschritten.

Abbildung. 3. Optische Mikrographen, die Sphärolite (a) reinen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L210S zeigen; (b) Gewicht xGnP-1 WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L210S/0.01% und (c) Gewicht xGnP-1 WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L210S/5%

Kristallisation von PLA-/xGnPZusammensetzungen (thermische Ergebnisse des Fühlers Nano--TA)

Das schmelzende Verhalten von Zusammensetzungen PLA/xGnP-1 wurde weiter unter Verwendung des thermischen Fühlers Nano--TA analysiert, um mögliche Anschlüsse zwischen Agglomeration von xGnP und Molekulargewicht des Polymers nachzuforschen, die nicht durch die DSC-Analyse bewiesen wurden. Die Ergebnisse werden in der untengenannten Feige 4 gezeigt. Für den ordentlichen WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S und WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S, waren der Ausschlag gegen Fieberkurven M-Förmig: der Spitzenausschlag, der nach Heizung von der Raumtemperatur auf ungefähr 80°C erhöht wurde, verringert, bis die Spitzentemperatur °C ungefähr 100 erreichte, dann erhöhte wieder bis den Anfang des schmelzenden Überganges (Tmo). Deckte thermischer Fühler Nano--TA drei wesentliche Unterschiede im schmelzenden Verhalten des unterschiedlichen Molekulargewicht WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS und ihrer Zusammensetzungen mit xGnP-1 auf:

  • Das aufgezeichnete Tmo war niedriger (~ 150 °C) für WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS 209S als für WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S (°C) ~159. Niedrigere Temperaturen wurden auch für den Anfang des schmelzenden Überganges von Zusammensetzungen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L209S/xGnP-1 als für die Kollegen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L210S/xGnP-1 aufgezeichnet.
  • Die Ausschlagkurven für Zusammensetzungen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L209S/xGnP-1 waren M-Förmig, ähnlich den Kurven, die für das ordentliche Polymer aufgezeichnet wurden (Abbildung 4b). Der Ausschlag gegen Fieberkurve für WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S war auch (Abbildung 4a) M-Förmig, aber lineare Zunahmen des Ausschlags mit Temperatur wurden für die Mehrheit der Proben WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L210S aufgezeichnet, die xGnP-1 enthalten.
  • Für alle Zusammensetzungen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L209S/xGnP-1 waren die Ausschläge, die aufgezeichnet wurden, niedriger als der Ausschlag, der für den ordentlichen WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S gemessen wurde (Abbildung 4b), während höhere Ausschläge für alle Zusammensetzungen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L210S/xGnP-1 als für den ordentlichen WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S aufgezeichnet wurden.

Abbildung 4 thermischer Fühler Nano--TA kurvt für (a) WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S/xGnP-1 und (b) Zusammensetzungen WINKELS DES LEISTUNGSHEBELS L209S/xGnP-1, die verschiedene Mengen (% Gewicht) enthalten xGnP-1

Es scheinen, drei mögliche Erklärungen für die Unterschiede bezüglich des schmelzenden Verhaltens zu geben. Zuerst wurden Unterschiede bezüglich der Streuung xGnP-1 in den zwei WINKEL- DES LEISTUNGSHEBELSgrundmassen des unterschiedlichen Molekulargewichtes als verantwortlich für das Zusammensetzungsverhalten betrachtet, als unterworfen nanoscale thermischer Analyse. Zweitens wurde die extrem hohe Heizquote, die während der thermischen Analyse des Scannenfühlers eingesetzt wurde, vermutet, das Kennzeichen von Polymerkettenneuordnungen aktiviert zu haben, die nicht durch herkömmliche thermische Analyse (DSC) nachweisbar waren. Drittens konnte die erste Spitze eine formlose Oberflächenschicht sein, die gebildet wurde. (Diese Hypothese muss als Teil einer unterschiedlichen Studie studiert werden)

Die Möglichkeit der unterschiedlichen Streuung von xGnP-1 in den zwei Molekulargewicht WINKEL- DES LEISTUNGSHEBELSproben wurde auch durch Dynamische Mechanische Analyse angezeigt (DMA). DMA resultiert anzeigte insbesondere einen kleineren Umfang einer Verbesserung im Speichermodul im Falle der Zusammensetzungen, die mit dem niedermolekulareren Gewichtspolymer vorbereitet werden. Es ist wahrscheinlich, dass xGnP-1 besser in WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S zerstreute, der durch die nanoplatelets besser kernhaltig war und mehr Polymerkristallite und weniger Regionen erzeugte, in denen xGnP-1 zusammenballte. In den studierten Anlagen PLA/xGnP-1, würden mehr einheitliche kristallene Zellen zu höhere Wahrscheinlichkeiten führen, denen die thermische Spitze des Fühlers Nano--TA Polymersphärolite eher als Regionen antrifft, in denen xGnP-1 zusammenballt. Der Spitzenausschlag würde erwartet, um für Polymer-reiche Regionen höher zu sein.

Ist thermischer Fühler Nano--TA eine Oberflächentechnik, im Wesentlichen unterschiedlich zu DSC, das eine Massenkennzeichnungsmethode ist. Außer diesem wichtigen Unterschied sind die Heizquoten, die durch die zwei Techniken verwendet werden, beträchtlich unterschiedlich. Die DSC-Bodenläufe, die das Schmelzen und Kristallisation nachforschen, wurden mit abkühlenden Kinetik der Heizung von 3 °C/min geleitet, während während der thermischen Experimente des Fühlers Nano--TA die Spitze geheiztes extrem schnelles war (600 °C/min). Dieser Unterschied erklärte möglicherweise die Fähigkeit des thermischen Fühlers Nano--TA, Polymerreorganisationsphänomene auf der Beispieloberfläche zu entdecken, die nicht in den umfangreicheren Proben offensichtlich sind-, die mit langsameren Kinetik während der DSC-Experimente geheizt werden.

Zusätzlich zur Kristallisation von der Schmelze, macht WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS kalte Kristallisation, nach Heizung von der Raumtemperatur durch. Für ordentliche WINKEL- DES LEISTUNGSHEBELSproben, die in dieser Studie verwendet wurden, trat kalte Kristallisation über der Glasübergangstemperatur auf (°C) 59-61 und unterhalb der schmelzenden Übergangstemperatur (°C) 179 (Abbildung 2). Abbildung 2 zeigt auch, dass der Umfang einer kalten Kristallisation von der Heizquote für WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L209S und WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS L210S abhing. Für beide Polymere waren die Temperaturen des Anfangs der kalten Kristallisation und die Temperaturen der kalten Kristallisationsspitzen für höhere Heizquoten höher.

Während weitere Studien durchgeführt werden müssen, um dieses zu bestätigen (wie früher erwähnt), glauben die Autoren, dass kalte Kristallisation von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS in Anwesenheit xGnP-1 ausschließlich durch den thermischen Fühler Nano--TA entdeckt wurde und geglaubt wird, um für die M-Form des Ausschlags gegen Fieberkurven verantwortlich zu sein. Keine der anderen teilkristallinen Polymere, dass wir thermischen Fühler Nano--TA ein (mit den gleichen Heizquoten) - PHB, PET, PP., Nylon verwendeten - stellten dar, dass solches Verhalten und WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS mit zwei Verfahren das einzige ist, das bekannt ist, um kalte Kristallisation durchzumachen

Schlussfolgerungen

Die Exfoliated Graphit-nanoplatelets, die einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 µm (xGnP-1) haben wurden zu nucleate WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS gezeigt und beeinflußten die kalte Kristallisation und die Kristallisation von der Schmelze des Polymers. Sie hatten auch einen Verstärkungseffekt auf WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS und führten zu Zusammensetzungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und dieser Verstärkungseffekt schien, vom Molekulargewicht der Polymergrundmasse abhängig zu sein. Die selbe Menge von xGnP-1 führte zu Zusammensetzungen mit höherem Modul (bis 60% Verbesserung für 3% Gewicht xGnP-1) als integriert in höheren Molekulargewicht WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS, und erzeugte beträchtliche Verbesserung nicht im Falle einer niedermolekulareren Gewichtsgrundmasse. Unterschiede bezüglich der Streuung von xGnP-1 in den Polymergrundmassen wurden vermutet, um die wesentliche Ursache für die Unterschiede bezüglich der Eigenschaften der Zusammensetzungen zu sein. Differenzscanning-Kalorimetrie (DSC) deckte Unterschiede bezüglich des Kristallisationsverhaltens abhängig von dem Molekulargewicht von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS auf, aber die Ergebnisse dieser klassischen thermischen Berechnungsmethode konnten nicht auf der Morphologie des Polymers und mit der Streuung von xGnP direkt zusammenhängen. Entdeckten thermische Maße des Fühlers Nano--TA erfolgreich Unterschiede bezüglich des Kristallisationsverhaltens von WINKEL DES LEISTUNGSHEBELS in Anwesenheit des xGnP, abhängig von dem Molekulargewicht des Polymers.

Quelle: Zelle Eigentums-Wechselbeziehung von Bio-nanocomposites
Autor: D.G. Miloaga, Dr. H.A. Hosein, M.J. Rich und Dr. L.T Drzal
Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Anasys-Instrumente

Date Added: May 13, 2008 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 17:52

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