Anasys 계기에서 Nano 열적 분석 그리고 nano TA를 사용하는 Bionanocomposites의 구조물과 속성 상호 관계

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소개
실험적인 세부사항
물자
결과와 면담
PLA/xGnP 합성물 (nano TA 열 탐사기 결과)의 결정화
결론

소개

중합체의 신체적 특징 사이 차원 상사성은 필요성으로 채워진 시스템 저쪽에 가고 중합체 nanocomposites의 향상한 속성에 책임있는 중합체 입자 상호 작용을 상세히 탐구하기 위하여 (회전 반지름과 박판 간격과 같은)와 nano 치수를 재 입자를 강화해서 이끌어 냅니다. 분산에는 중합체 nanocomposites 가공에 있는 중요한 문제이고, 기계적 성질에 대한 강한 충격이 있습니다. 중합체 매트릭스 감소에 있는 충전물의 규모로 상분리와 반대로 고성능 nanocomposites를 장악하는 것을 시도할 때 중합체에 있는 마이크로 치수가 재진 충전물을 통합할 때 (아마 발생하기 위하여), 분산과 덩어리는 극복될 중요한 문제가 됩니다.

semicrystalline 중합체 매트릭스의 경우에, 증강으로 이용된 수많은 nanoparticles는 이질적인 nucleating 에이전트로 작동하기 위하여 보이고 구조물과 형태학 디렉터로 사용될 수 있습니다. 떨어지게 한 흑연 nanoplatelets (XG Sciences, Inc.는 폴리프로필렌과 같은 nucleate semicrystalline 중합체 매트릭스에)의 상표인 xGnP (TM) 많은 (3-hydroxybutyrate) 보이고, 결정화 비율에 있는 극적인 변화, 합성되는 합성물의 중합체 형태학 및 속성을 결정하.

존재하는 연구 결과는 많은 생물 고분자 물질에 대한 xGnP (TM)의 nucleating 효력의 평가를 위해 nano TA 열 탐사기 (L 젖 산) 그리고 중합체의 형태학에 있는 합성물의 기계적 성질에 있는 변경에 수정을 사용 관련시키기에 집중합니다.

Nano TA 열 탐사기는 이하 100nm의 공간적 해상도를 가진 물자의 열 행동의 이해를 장악하는 기능에 원자 군대 현미경 검사법의 높은 공간적 해상도 화상 진찰 기능을 결합하는 지방화한 열적 분석 기술입니다. 전통적인 AFM 끝은 끼워넣어진 소형 히이터가 있는 특별한 nano TA 열 탐사기에는 대체되고 특별히 디자인한 nano TA 열 탐사기 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 통제됩니다. AFM는 표면을 사용자가 표면의 열 속성을 조사하기 위하여 공간 위치를 선정하는 것을 허용하는 그것의 일상적인 화상 진찰 최빈값을 가진 nanoscale 해결책에 구상되는 가능하게 합니다. 사용자는 탐사기 끝을 통해 열을 현지에 적용하고 thermomechanical 반응을 측정해서 그 때 이 정보를 장악합니다. 중합체와 조제약의 분야에서 이하 100nm LTA의 응용의 문서에 있는 몇몇 보기가 계속 있습니다.

실험적인 세부사항

물자

2개의 다른 분자량 많은 (L 젖 산) 견본은 이 연구 결과에서 이용되었습니다: RESOMERR L209S와 RESOMERR L210S. 1개의 µm (xGnP-1)의 평균 규모가 있는 떨어지게 한 흑연 nanoplatelets는 조직내에서 생성했습니다. xGnP에는 ~100 m/g의 표면이 있고2 직경에 있는 간격 그리고 1개의 µm에 있는 혈소판 대략 10 nm를 이루어져 있습니다.

확장된 흑연 nanoplatelets (PLA/xGnP-1)를 가진 Polylactic 산성 합성물은 섞고 압축 성형 해결책에 의해 준비되었습니다. xGnP-1 선적은 0개 wt %에서 두 PLA 견본 전부를 위한 9개 wt %를 변화했습니다 (L209S와 210S).

결과와 면담

PLA/xGnP 합성물 (DSC 분석)의 결정화: 중합체 매트릭스에 있는 xGnP-1 양 증가와 함께 증가시키는 PLA/xGnP-1 합성물의 저장 계수. Polylactides는 semicrystalline 중합체 및 그들의 기계적 성질입니다, 뿐 아니라 매트릭스로 봉사하는 합성물의 기계적 성질은 결정성과 형태학에 달려 있을 것으로, 예상됩니다. 합성 견본이 압축 성형을 사용하여 준비되었기 때문에, 동적인 가공 방법은, 용해에서 nonisothermal 결정화 저장 계수에서 관찰된 다름을 설명하기 위하여 분석되었습니다.

그림 1에서 보이는 것처럼, PLA L209S, PLA L210S, 및 xGnP-1를 가진 그들의 합성물의 DSC 분석은 두 PLA 견본 전부의 결정화 행동이 xGnP-1에 의해 현저하게 영향을 받았다는 것을 제시했습니다. xGnP-1 (1%까지 무게) 낮은 양은 polyhydroxybutyrate/xGnP-1 및 폴리프로필렌/xGnP-1 최근에 관찰된 nucleating 효력과 유사했던 nanoplatelets의 nucleating 효력을 합성물에서 표시한 증가시킨 용해 결정화 온도로 이끌어 냅니다. 1% 무게 xGnP-1를 위해, 명확한 다름은 PLA L209S와 PLA L210S 사이 그림 1에서 관찰되었습니다: 저분자 무게 PLA 견본을 위해, 결정 성장의 지장으로 이끌어 내는 분산 문제점과 관련있을 수 있던 이항 nonisothermal 결정화 곡선은 관찰되었습니다. 용해 결정화 행동에 있는 중요한 다름은 xGnP-1 양을 높이 포함하는 2개의 다른 분자량 polylactides의 합성물 사이에서 1% 보다 wt. 이항 결정화 곡선이 중합체 부유한 지구의 혈소판 그리고 작성의 가능한 덩어리를 표시하는 두 매트릭스 전부에 있는 xGnP-1 증가시킨 양을 위해 더 멀리 관찰되었다 관찰되지 않았습니다.

숫자 1. (a) PLA L209S와 (b) PLA 210S의 용해에서 nonisothermal 결정화의 DSC 분석

청초한 PLA L209S 및 PLA L210S가 179-180 °C.에 녹는다는 것을 DSC 분석 (그림 2.)는 표시했습니다. xGnP-1를 가진 두 중합체 합성물 전부를 위해, 이항 녹는 첨단은 기록되었습니다. 추가 첨단 (견부)는 xGnP-1를 포함하는 견본에 있는 181-182 °C에 관찰되었습니다. 더 높은 온도 첨단은 녹는 전환을 지체시키는 흑연 nanoplatelets 사이에서 모함된 중합체 지구에 기인했습니다. 그림 2에서 보이는 것처럼, DSC 분석은 또한 실내 온도에서 난방에 청초한 중합체가 찬 결정화를 겪는다는 것을, 제시했습니다. 찬 결정화 첨단 온도는 난방 비율에 따라서 93 - 106 °C 사이에서, 기록되었습니다. 그러나, DSC 분석은 어느 쪽이든에 xGnP-1의 추가 후에 찬 결정화를 중합체 매트릭스의 한 검출하지 않았습니다.

3개의 다른 난방 비율로 (a) PLA L209S와 (b) PLA L210S의 찬 결정화 그리고 녹기 보여주는 숫자 2. DSC 온도 기록도

숫자 3은 용해에서 nonisothermal 냉각을 가진 PLA L210S에 의해 형성된 크리스탈 구조물의 규모에 대한 xGnP-1의 효력의 보기를 보여줍니다. 청초한 PLA는 spherulitic 구조물 20 - 직경 (숫자 3a)에 있는 100를 µm 형성합니다. 0.01% 무게 xGnP-1의 추가는 매우 더 작은 크리스탈 구조물 (숫자 3 의 b)의 대형으로 xGnP-1 양이 1개 wt %를 초과할 때 크리스탈 구조물은 광학적인 현미경 검사법을 사용하여 탐지가능하지 않았 그러나, 이끌어 냅니다.

숫자. 3. (a) 순수한 PLA L210S의 구립을 보여주는 광학적인 현미경 사진; (b) PLA L210S/0.01% 무게 xGnP-1와 (c) PLA L210S/5% 무게 xGnP-1

PLA/xGnP 합성물 (nano TA 열 탐사기 결과)의 결정화

PLA/xGnP-1 합성물의 녹는 행동은 nano TA 열 탐사기를 사용하여 DSC 분석에 의해 입증되지 않은 xGnP의 덩어리와 중합체 분자량 사이 가능한 연결을 조사하기 위하여 더 분석되었습니다. 결과는 아래 그림 4에서 보입니다. 청초한 PLA L209S 및 PLA L210S를 위해, 편향도는 대 온도 곡선 M 모양 이었습니다: 끝 온도가 대략 100 °C를 도달할 때까지 실내 온도에서 줄 대략 80°C에 난방에 증가된 끝 편향도는 녹는 전환의 개시까지, 그 후에 다시 증가했습니다 (Tmo). Nano TA 열 탐사기는 xGnP-1를 가진 다른 분자량 PLA 그리고 그들의 합성물의 녹는 행동에 있는 3개의 중요한 다름을 제시했습니다:

  • 기록한 Tmo는 더 낮았습니다 (PLA L210S (~159 °C) PLA 209S를 위한 ~ 150 °C). 저온은 또한 PLA L210S/xGnP-1 카운터파트 보다 PLA L209S/xGnP-1 합성물의 녹는 전환의 개시를 위해 기록되었습니다.
  • PLA L209S/xGnP-1 합성물을 위한 편향도 곡선은 M 모양, 청초한 중합체 (숫자 4b)를 위해 기록된 곡선과 유사했던 이었습니다. 편향도는 대 PLA L210S를 위한 온도 곡선 또한 M 모양 (숫자 4a) 이었습니다, 그러나 온도를 가진 편향도의 선형 증가는 xGnP-1를 포함하는 PLA L210S 견본의 대다수를 위해 기록되었습니다.
  • 모든 PLA L209S/xGnP-1 합성물을 위해, 기록된 편향도는 더 높은 편향도는 청초한 PLA L210S 모든 PLA L210S/xGnP-1 합성물을 위해 기록되었는 그러나, 청초한 PLA L209S (숫자 4b)를 위해 측정된 편향도 보다는 더 낮았습니다.

숫자는 4 nano TA 열 탐사기 (a) PLA L210S/xGnP-1와 (b) xGnP-1의 다른 총계 (무게 %)를 포함하는 PLA L209S/xGnP-1 합성물을 위해 구부립니다

녹는 행동에 있는 다름을 위한 3개의 가능한 설명이 인 것처럼 보입니다. 첫째로, 다른 분자량의 2개의 PLA 매트릭스에 있는 xGnP-1 분산에 있는 다름은 nanoscale 열적 분석을 복종시킬 때 합성물 행동에 책임있는 것 여겨졌습니다. 둘째로, 스캐닝 탐사기 열적 분석 도중 채택된 극단적으로 높은 난방 비율은 전통적인 열적 분석 (DSC)에 의하여 탐지가능하지 않던 중합체 사슬 재배열의 식별을 가능하게 하기 위하여 의심되었습니다. 셋째로, 첫번째 첨단은 형성되는 지상 무조직 층 일 수 있었습니다. (이 가설은 분리되는 연구 결과의 한 부분으로 공부되어야 할 것입니다)

2개의 분자량 PLA 견본에 있는 xGnP-1의 다른 분산의 가능성은 또한 동적인 기계적인 분석에 의해 표시되었습니다 (DMA). DMA는 저분자 무게 중합체로 준비된 합성물의 경우에, 특히, 표시했습니다 저장 계수에 있는 개선의 더 작은 넓이를 유래합니다. xGnP-1가 nanoplatelets에 의하여 잘 유핵 인 PLA L210S에서 잘 이산했다 확률이 높, xGnP-1가 덩어리로 만든 몇몇 지구 및 추가 중합체 정자 를 생성하. 공부된 PLA/xGnP-1 시스템에서는, 추가 획일한 크리스탈 구조물은 nano TA 열 탐사기 끝이 xGnP-1가 덩어리로 만드는 지구 보다는 오히려 중합체 구립에 직면하는 더 높은 확율로 이끌어 낼 것입니다. 끝 편향도는 중합체 부유한 지구를 위해 더 높을 것으로 예상될 것입니다.

Nano TA 열 탐사기는 대량 특성 방법인 DSC와 다른 지상 기술, 필수적으로입니다. 이 중요한 다름외에, 2개의 기술로 사용된 난방 비율은 현저하게 다릅니다. 녹고는 및 결정화를 조사하는 DSC 실행은 3 °C/min의 난방 냉각 비율로 nano TA 열 탐사기 실험 도중 끝은 가열하는 극단적으로 단단이었는 그러나, 수행되었습니다 (600 °C/min). 이 다름은 DSC 실험 도중 더 느린 비율로 가열된 더 큰 양 견본에서 분명하지 않은 견본 표면에 중합체 개편 현상을 검출하는 nano TA 열 탐사기의 기능에 대하여 설명할지도 모릅니다.

용해에서 결정화 이외에, PLA는 실내 온도에서 난방에 찬 결정화를, 겪습니다. 이 연구 결과에서 이용된 청초한 PLA 견본을 위해, 찬 결정화는 유리 전이 온도의 위 생겼습니다 (녹는 전환 온도 (179 °C) (숫자 2)의 밑에 59-61 °C)와. 찬 결정화의 넓이가 PLA L209S와 PLA 둘 다 L210S를 위한 난방 비율에 달려 있었다는 것을 숫자 2는 또한 보여줍니다. 두 중합체 전부를 위해, 찬 결정화의 개시의 온도, 및 찬 결정화 첨단의 온도는 더 높은 난방 비율을 위해 더 높았습니다.

이것을 확인하는 위하여 추가 연구 결과가 끝나는 필요가 있는 (전에 언급하는) 동안, 저자는 xGnP-1의 면전에서 PLA의 찬 결정화가 nano TA 열 탐사기에 의해 독점적으로 검출되고 편향도의 M 모양에 책임 대 온도 곡선 있기 위하여 믿어진다고 믿습니다. 우리가 nano TA 열 탐사기를 (동일 난방 비율로) - PHB 의 PE, PP 의 나일론 - 위에 이용했다 그밖 semicrystalline 중합체의 아무도는 그 같은 이항 행동 및 PLA가 찬 결정화를 겪기 위하여 알려진 유일한 것 이다는 것을 보여주지 않았습니다

결론

1개의 µm (xGnP-1)의 평균 직경이 있는 떨어지게 한 흑연 nanoplatelets는 nucleate PLA에 보여, 중합체의 용해에서 찬 결정화 그리고 결정화에 둘 다 영향을 미치. 그(것)들에는 또한 향상한 기계적 성질을 가진 합성물로 이끌어 내는 PLA에 대한 강화 효력이 있고 이 강화 효력은 중합체 매트릭스의 분자량 에 의지하고 있는 것처럼 보였습니다. xGnP-1의 동일 분량은 더 높은 계수 (3% 무게 xGnP-1를 위한 60%까지 개선)를 가진 합성물로 더 높은 분자량 PLA로 통합될 때 이끌어 내고 생성하지 않았습니다, 저분자 무게 매트릭스의 경우에 중요한 개선을. 중합체 매트릭스에 있는 xGnP-1의 분산에 있는 다름은 합성물의 속성에 있는 다름을 위한 필수적인 원인이기 위하여 의심되었습니다. 미분 스캐닝 열량측정은 (DSC) PLA의 분자량에 따라서 결정화 행동에 있는 다름을 제시했습니다, 그러나 이 고아한 열적 분석 방법의 결과는 중합체의 형태학과 xGnP의 분산과 직접 관련있을 수 없었습니다. Nano TA 열 탐사기 측정은 중합체의 분자량에 따라서 xGnP의 면전에서 성공적으로 PLA의 결정화 행동에 있는 다름을, 검출했습니다.

근원: 생물 nanocomposites의 구조물 속성 상호 관계
저자: , D.G. Miloaga H.A. Hosein, M.J. Rich 및 박사 L.T Drzal 박사
이 근원에 추가 정보를 위해 Anasys 계기를 방문하십시오

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

Last Update: 13. June 2013 18:04

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