Correlazione dei Beni e della Struttura di Bionanocomposites Facendo Uso di Analisi Termica Nana e i nano-TUM dagli Strumenti di Anasys

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Introduzione
Dettagli Sperimentali
Materiali
Risultati e Discussione
Cristallizzazione dei Compositi di PLA/xGnP (risultati termici della sonda di nano-TUM)
Conclusioni

Introduzione

Le similarità Dimensionali fra le caratteristiche fisiche dei polimeri (quale il raggio della rotazione e dello spessore lamellare) e le particelle rinforzanti nano di taglia piombo alla necessità per andare oltre i sistemi riempiti e per esplorare dettagliatamente le interazioni della polimero-particella responsabili dei beni migliori dei nanocomposites del polimero. La Dispersione è un punto chiave nei nanocomposites del polimero di trattamento ed ha un impatto forte sui beni meccanici. Rispetto alla separazione di fase (più probabilmente accadere quando comprendono i riporti micro di taglia in polimeri), come la dimensione dei riporti nelle diminuzioni delle matrici del polimero, la dispersione e l'agglomerazione si trasformano nei problemi importanti da sormontare quando tenta di ottenere i nanocomposites ad alto rendimento.

Nel caso delle matrici semicrystalline del polimero, le numerose nanoparticelle usate come rinforzi sono state indicate per fungere da agenti nucleating eterogenei e possono essere usate come Direttori della morfologia e della struttura. I nanoplatelets Esfoliati della grafite (xGnP (TM) che è un modello depositato di XG Sciences, Inc.) sono stati indicati alle matrici semicrystalline nucleate del polimero quale polipropilene e poli (3-hydroxybutyrate), determinando i cambi spettacolari nelle tariffe di cristallizzazione, la morfologia del polimero ed i beni dei compositi risultanti.

I fuochi di studio presente sul utilizzare la sonda termica di nano-TUM per la valutazione dell'effetto nucleating di xGnP (TM) su un biopolimero, poli (acido L-Lattico) e sul collegare le modifiche nella morfologia del polimero ai cambiamenti nei beni meccanici dei compositi.

La sonda termica di Nano-TUM è una tecnica Localizzata dell'Analisi Termica che combina le alte capacità della rappresentazione di risoluzione spaziale di microscopia atomica della forza con la capacità di ottenere la comprensione del comportamento termico dei materiali con una risoluzione spaziale di sub-100nm. Il suggerimento convenzionale del AFM è sostituito da una sonda termica di nano-TUM speciali che ha un radiatore miniatura incassato ed è gestito dal hardware e dal software termici specialmente progettati della sonda di nano-TUM. Il AFM permette ad una superficie di essere visualizzato a risoluzione del nanoscale con i sui modi sistematici della rappresentazione, che permette che l'utente selezioni le distribuzioni nello spazio a cui studiare i beni termici della superficie. L'utente poi ottiene questi informazioni applicando il calore localmente via il suggerimento della sonda e misurando la risposta termomeccanica. Ci sono stati parecchi esempi nella letteratura dell'applicazione di sub-100nm PIÙ LEGGERO DELL'ARIA nel campo dei Polimeri e dei Prodotti Farmaceutici.

Dettagli Sperimentali

Materiali

Due poli (acido L-Lattico) campioni differenti del peso molecolare sono stati utilizzati in questo studio: RESOMERR L209S e RESOMERR L210S. I nanoplatelets Esfoliati della grafite che hanno una dimensione media di 1 µm (xGnP-1) sono stati prodotti in-house. Il xGnP ha un'area di ~100 m/g2 e consiste delle piastrine circa 10 nanometro in spessore e 1 µm di diametro.

I compositi acidi Polilattici con i nanoplatelets in espansione della grafite (PLA/xGnP-1) sono stati preparati dalla mescolanza della soluzione e dal modanatura di compressione. Il caricamento xGnP-1 ha variato 0 WT % - 9 WT % per entrambi i campioni di PLA (L209S e 210S).

Risultati e Discussione

Cristallizzazione dei compositi di PLA/xGnP (Analisi di DSC): I moduli di archiviazione dei compositi PLA/xGnP-1, aumentati con l'aumento degli importi di xGnP-1 nella matrice del polimero. Polylactides è polimeri semicrystalline ed i loro beni meccanici come pure i beni meccanici dei compositi per cui serviscono da matrici, si pensano che dipendano da cristallinità e dalla morfologia. Poiché i campioni compositi sono stati preparati facendo uso del modanatura di compressione, un metodo di lavorazione dinamico, la cristallizzazione nonisothermal dalla colata è stato analizzato per delucidare le differenze osservate nei moduli di archiviazione.

Secondo le indicazioni del Fico 1, l'analisi di DSC del PLA L209S, del PLA L210S e dei loro compositi con xGnP-1 ha rivelato che il comportamento di cristallizzazione di entrambi i campioni di PLA è stato influenzato significativamente da xGnP-1. Gli importi Bassi di xGnP-1 (peso di fino a 1%) piombo alle temperature aumentate di cristallizzazione della colata, che hanno indicato un effetto nucleating dei nanoplatelets, simile all'effetto nucleating osservato recentemente in polyhydroxybutyrate/xGnP-1 e nei compositi il polipropilene/xGnP-1. Per il peso xGnP-1 di 1%, una chiara differenza è stata osservata in Fico 1 fra il PLA L209S ed il PLA L210S: per il campione a basso peso molecolare di PLA, una curva nonisothermal bimodale di cristallizzazione è stata osservata, che potrebbe essere collegata con le emissioni della dispersione che piombo all'ostacolo di crescita dei cristalli. Nessuna differenza significativa nel comportamento di cristallizzazione della colata è stata osservata fra i compositi dei due polylactides differenti del peso molecolare che contengono gli importi di xGnP-1 più superiore le curve Bimodali di cristallizzazione di pesi di 1% più ulteriormente sono state osservate per gli importi aumentati di xGnP-1 in entrambe le matrici, indicanti l'agglomerazione possibile delle piastrine e della creazione delle regioni ricche di polimero.

Figura 1. analisi di DSC della cristallizzazione nonisothermal dalla colata (a) del PLA L209S e (b) PLA 210S

L'analisi di DSC (Fico 2.) ha indicato che il PLA L209S ordinato ed il PLA L210S si fondono a 179-180 °C. Per entrambi i compositi del polimero con xGnP-1, i picchi di fusione bimodali sono stati registrati. I picchi Supplementari (spalle) sono stati osservati a °C 181-182 nei campioni che contengono xGnP-1. Gli più alti picchi della temperatura sono stati attribuiti alle regioni del polimero intrappolate fra i nanoplatelets della grafite, che ritardano la transizione di fusione. Secondo le indicazioni del Fico 2, l'analisi di DSC egualmente ha rivelato che i polimeri ordinati subiscono la cristallizzazione fredda, sopra il riscaldamento dalla temperatura ambiente. Le temperature fredde del picco di cristallizzazione sono state registrate fra °C 93 - 106, secondo la tariffa di riscaldamento. Tuttavia, l'analisi di DSC non ha individuato la cristallizzazione fredda dopo l'aggiunta di xGnP-1 all'uno o l'altro una delle matrici del polimero.

Figura 2. termogrammi di DSC che mostrano la cristallizzazione e la fusione fredde (a) del PLA L209S e (b) PLA L210S a tre tariffe di riscaldamento differenti

Figura 3 mostra un esempio dell'effetto di xGnP-1 sulla dimensione delle strutture cristalline costituite dal PLA L210S con il raffreddamento nonisothermal dalla colata. Il PLA ordinato forma le strutture sferolitiche 20 - µm 100 di diametro (Figura 3a). L'aggiunta del peso xGnP-1 di 0.01% piombo a formazione di strutture cristalline molto più piccole (Figura 3, b), mentre le strutture cristalline non erano rilevabili facendo uso di microscopia ottica quando gli importi di xGnP-1 hanno superato 1 WT %.

Figura. 3. Micrografi Ottici che mostrano le sferolite (a) del PLA L210S puro; (b) peso xGnP-1 di PLA L210S/0.01% e (c) peso xGnP-1 di PLA L210S/5%

Cristallizzazione dei Compositi di PLA/xGnP (risultati termici della sonda di nano-TUM)

Il comportamento di fusione dei compositi PLA/xGnP-1 più ulteriormente è stato analizzato facendo uso della sonda termica di nano-TUM per studiare le connessioni possibili fra l'agglomerazione di xGnP ed il peso molecolare del polimero che non sono state provate dall'analisi di DSC. I risultati sono indicati in Fico 4 qui sotto. Per il PLA L209S ordinato ed il PLA L210S, la deformazione contro le curve della temperatura era A forma di m.: la deformazione del suggerimento aumentata sopra il riscaldamento dalla temperatura ambiente ad approssimativamente 80°C, in diminuzione finché la temperatura di suggerimento non raggiungesse il °C circa 100, quindi è aumentato ancora fino all'inizio della transizione di fusione (Tmo). La sonda termica di Nano-TUM ha rivelato tre differenze principali nel comportamento di fusione del PLA differente del peso molecolare e dei loro compositi con xGnP-1:

  • Il Tmo registrato era più basso (°C) del ~ 150 per il PLA 209S che per il PLA L210S (°C) ~159. Le temperature Più Insufficienti egualmente sono state registrate per l'inizio della transizione di fusione dei compositi di PLA L209S/xGnP-1 che per le controparti di PLA L210S/xGnP-1.
  • Le curve di deformazione per i compositi di PLA L209S/xGnP-1 erano A forma di m., simile alle curve registrate per il polimero ordinato (Figura 4b). La deformazione contro la curva della temperatura per il PLA L210S era egualmente A forma di m. (Figura 4a), ma gli aumenti lineari di deformazione con la temperatura sono stati registrati per la maggior parte dei campioni di PLA L210S che contengono xGnP-1.
  • Per tutti i compositi di PLA L209S/xGnP-1, le deformazioni registrate erano più basse della deformazione misurata per il PLA L209S (Figura ordinato 4b), mentre le più alte deformazioni sono state registrate per tutti i compositi di PLA L210S/xGnP-1 che per il PLA L210S ordinato.

La Figura 4 sonda termica di nano-TUM curva per (a) il PLA L210S/xGnP-1 e (b) compositi di PLA L209S/xGnP-1 che contengono gli importi differenti (% del peso) di xGnP-1

Sembra essere tre spiegazioni possibili per le differenze nel comportamento di fusione. In Primo Luogo, le differenze nella dispersione xGnP-1 nelle due matrici di PLA di peso molecolare differente sono state considerate come responsabili del comportamento dei compositi una volta sottoposte all'analisi termica del nanoscale. In Secondo Luogo, la tariffa di riscaldamento estremamente alta impiegata durante l'analisi termica della sonda di scansione è stata sospettata per permettere all'identificazione delle riorganizzazioni della catena del polimero che non erano rilevabili dall'analisi termica convenzionale (DSC). In Terzo Luogo, il primo picco ha potuto essere un livello amorfo di superficie che è formato. (Questa ipotesi dovrà essere studiata come componente di uno studio separato)

La possibilità di dispersione differente di xGnP-1 nei due campioni di PLA del peso molecolare egualmente è stata indicata dall'Analisi Meccanica Dinamica (DMA). Il DMA risulta, in particolare, ha indicato le più piccole dimensioni di miglioramento nel modulo di archiviazione nel caso dei compositi pronti con il polimero più a basso peso molecolare del peso. È probabile che xGnP-1 ha disperso meglio nel PLA L210S, che era meglio nucleato dai nanoplatelets, generando più cristalliti del polimero e meno regioni in cui xGnP-1 ha agglomerato. Nei sistemi PLA/xGnP-1 studiati, più strutture cristalline costanti piombo alle più alte probabilità che il suggerimento termico della sonda di nano-TUM incontra le sferolite del polimero piuttosto che le regioni dove xGnP-1 agglomera. La deformazione del suggerimento si penserebbe che sia più alta per delle le regioni ricche di polimero.

La sonda termica di Nano-TUM è una tecnica di superficie, essenzialmente differente da DSC, che è un metodo in serie di caratterizzazione. Oltre a questa differenza importante, le tariffe di riscaldamento usate mediante due tecniche sono significativamente differenti. Le esecuzioni di DSC che studiano la fusione e la cristallizzazione sono state condotte alle tariffe di raffreddamento del riscaldamento di 3 °C/min, mentre durante gli esperimenti termici della sonda di nano-TUM il suggerimento era estremamente veloce riscaldato (600 °C/min). Questa differenza potrebbe rappresentare la capacità della sonda termica di nano-TUM di individuare i fenomeni della riorganizzazione del polimero sulla superficie del campione che non sono evidenti nei più grandi campioni del volume riscaldati alle tariffe più lente durante gli esperimenti di DSC.

Oltre a cristallizzazione dalla colata, il PLA subisce la cristallizzazione fredda, sopra il riscaldamento dalla temperatura ambiente. Per i campioni ordinati di PLA utilizzati in questo studio, la cristallizzazione fredda si è presentata sopra la temperatura di transizione vetrosa (°C) 59-61 e sotto la temperatura di transizione di fusione (179 °C) (Figura 2). Figura 2 egualmente indica che le dimensioni di cristallizzazione fredda dipendevano dalla tariffa di riscaldamento per sia il PLA L209S che il PLA L210S. Per entrambi i polimeri, le temperature dell'inizio di cristallizzazione fredda e le temperature dei picchi freddi di cristallizzazione erano più alte per le più alte tariffe di riscaldamento.

Mentre ulteriori studi dovranno essere fatti per confermare questo (come citato più presto), gli autori ritengono che la cristallizzazione fredda del PLA in presenza di xGnP-1 esclusivamente sia stata individuata dalla sonda termica di nano-TUM e sia creduta per essere responsabile della M.-Forma della deformazione contro le curve della temperatura. Nessuno degli altri polimeri semicrystalline che abbiamo usato la sonda termica di nano-TUM sopra (alle stesse tariffe di riscaldamento) - PHB, il PE, i PP, Nylon - hanno mostrato che tali comportamento e PLA bimodali è quello solo conosciuto per subire la cristallizzazione fredda

Conclusioni

I nanoplatelets Esfoliati della grafite che hanno un diametro medio di 1 µm (xGnP-1) sono stati indicati al PLA nucleato, pregiudicando sia la cristallizzazione fredda che la cristallizzazione dalla colata del polimero. Egualmente hanno avuti un effetto rinforzante sul PLA, piombo ai compositi con i beni meccanici migliori e questo effetto rinforzante è sembrato dipendere dal peso molecolare della matrice del polimero. La stessa quantità di xGnP-1 piombo ai compositi con il più alto modulo (miglioramento di fino a 60% per il peso xGnP-1 di 3%) una volta incorporata nell'più alto PLA del peso molecolare e non ha generato il miglioramento significativo nel caso di una matrice più a basso peso molecolare del peso. Le Differenze nella dispersione di xGnP-1 nelle matrici del polimero sono state sospettate per essere la causa essenziale per le differenze nei beni dei compositi. La calorimetria di a scansione differenziale (DSC) Ha rivelato le differenze nel comportamento di cristallizzazione secondo il peso molecolare del PLA, ma i risultati di questo metodo di analisi termica classico non potrebbero direttamente essere collegati con la morfologia del polimero ed alla dispersione di xGnP. Le misure di sonda termiche di Nano-TUM hanno individuato con successo le differenze nel comportamento di cristallizzazione del PLA in presenza di xGnP, secondo il peso molecolare del polimero.

Sorgente: Correlazione dei Beni della Struttura di Bio--nanocomposites
Autore: La D.G. Miloaga, Dott. H.A. Hosein, M.J. Rich e Dott. L.T Drzal
Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 17:56

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