구조 및 나노 분석 및 열 Anasys 인스 트루먼 트에서 나노 TA를 사용하여 Bionanocomposites의 자산 간 상관 관계

: : AZoNanotechnology 기사

다루는 주제

소개
실험 세부 사항
자료
결과 및 토론
괞찮아 / xGnP 복합 재료 (나노 TA 열 프로브 결과)의 결정
결론

소개

고분자의 물리적 특성 (예 : 나선과 층상 두께 반경) 및 나노 크기의 강화 입자 사이의 치수 유사성이 가득 시스템 넘어 가서 폴리머 nanocomposites의 개선 특성에 대한 책임 상세 폴리머 - 입자 상호 작용의 탐험 필요성로 이어집니다. 분산 처리 폴리머 nanocomposites에 중요한 문제이며, 기계적 특성에 강한 영향을 미치고 있습니다. 마찬가지로 상 분리 (고분자의 마이크로 크기의 fillers을 포함 때 발생할 가능성이 높습니다)에 반대, 폴리머 매트릭스 감소에 fillers의 크기로 분산 및 응집은 고성능 nanocomposites를 얻으려고 할 때 중요한 문제가 극복되어야하는가 .

semicrystalline의 고분자 매트릭스의 경우, 보강재로 사용되는 다양한 nanoparticles는 이기종 nucleating 요원 역할을 표시했다 그리고 구조와 형태 감독으로 사용할 수 있습니다. 피부 박피 흑연 nanoplatelets (XG 과학, Inc의 상표입니다 xGnP (TM)은)는 폴리 프로필렌과 같은 핵의 semicrystalline의 고분자 매트릭스에 표시하고, 폴리 (3 - 하이드 록시), 결정화 속도에 극적인 변화, 폴리머 형태를 결정하고 있었는데 결과 합성의 속성.

현재의 연구는 사용에 초점을 맞추고 나노 조교에게 온도 프로브를 바이오 폴리머, 폴리 (L - 락트 산)과 기계적 성질의 변화에 고분자의 형태를 변형 관련된에서 xGnP (TM)의 nucleating 효과의 평가 합성니다.

나노 - TA 열 프로브 하위 100nm의 공간적 해상도 재료의 열 행동의 이해를 얻을 수있는 능력을 가진 원자 힘 현미경의 높은 공간적 해상도 이미징 기능을 결합하여 지역화된 열 분석 기법입니다. 기존 AFM 팁은 특수로 대체됩니다 나노 TA 열 프로브 임베디드 미니 히터를 가지고 있으며 특별히 고안된에 의해 제어됩니다 나노 TA 열 프로브 하드웨어 및 소프트웨어. AFM 사용자가 표면의 열 속성을 조사되는 공간적 위치를 선택할 수의 일상적인 이미징 모드와 nanoscale 해상도로 시각이 될 수있는 표면을 수 있습니다. 사용자는 다음 프로브 팁을 통해 로컬 더위를 적용하고 thermomechanical 응답을 측정하여이 정보를 얻습니다. 폴리머와 제약 분야에서 서브 100nm LTA의 응용 프로그램의 문헌에서 몇 가지 예제가있다.

실험 세부 사항

자료

두 개의 다른 분자량 폴리 (L - 락트 산) 샘플이 연구에 사용되었다 : RESOMERR L209S와 RESOMERR의 L210S. 1 μm의의 평균 크기 (xGnP - 1) 발생 피부 박피 흑연 nanoplatelets는 사내에서 생산되었다. xGnP는 ~ 100m ² / g의 표면적을 가지고 있으며, 혈소판의 두께 약 10 나노미터, 지름 1 μm의를로 구성되어 있습니다.

확장 흑연 nanoplatelets (PLA/xGnP-1)와 Polylactic 산성 복합 재료는 혼합 및 압축 성형 솔루션 준비되었습니다. xGnP - 1 로딩이 괞찮아 샘플 (L209S와 210S) 모두 0 wt %에서 9 wt %로 변화.

결과 및 토론

괞찮아 / xGnP 복합 (DSC 분석)의 결정 : 괞찮아 / xGnP - 1 복합​​의 저장 moduli는 고분자 매트릭스에 xGnP - 1의 증가와 함께 양의 증가했다. Polylactides는 semicrystalline의 고분자, 그들의 기계적 특성뿐만 아니라, 그들은 매트릭스 역할을하는 복합 재료의 기계적 특성, 결정화 및 형태학에 따라 예정입니다. 합성 샘플은 압축 성형, 동적 처리 방법, 용융 결정화에서 nonisothermal 저장 moduli에서 관찰 차이를 명료하게하다하기 위하여 분석되었다를 사용하여 준비가되어 있기 때문에.

마찬가지로 그림 1, 괞찮아 L209S, L210S 괞찮아 및 xGnP - 1과의 복합 재료의 DSC 분석에 나타난 것은 두 괞찮아 샘플의 결정 동작이 상당히 xGnP - 1에 의해 영향 것으로 나타났다. xGnP - 1 (최대 1퍼센트 wt) 리드의 낮은 금액은 결정화 nucleating 효과 polyhydroxybutyrate/xGnP-1 최근 관찰과 비슷한 nanoplatelets의 nucleating 효과를 표시 온도,, 그리고 polypropylene/xGnP-1 복합을 녹여 증가하는 . 에 대한 wt xGnP - 1, 분명한 차이가 괞찮아 L209S와 괞찮아 L210S 사이에 그림 1에서 관찰되었다 1% :의 방해에 이르는 분산 문제와 관련있을 수있는 낮은 분자량 괞찮아 샘플, bimodal nonisothermal 결정화 곡선이 관찰되었다, 크리스탈 성장. 용해 결정화 행동에 큰 차이가 1 % wt보다 xGnP - 1 이상의 금액을 포함하는 두 개의 서로 다른 분자량의 polylactides의 합성 사이에 관찰되지 않았다. Bimodal 결정화 곡선은 더욱 고분자 풍부한 지역의 혈소판과 창조 가능한 응집을 나타내는 두 매트릭스의 xGnP - 1의 증가 금액에 대한 관찰되었다.

그림 1. (A) 괞찮아 L209S의 용해에서 nonisothermal 결정화의 DSC 분석 및 (B) 괞찮아 210S

DSC 분석 (그림 2). 얼과 괞찮아 괞찮아 L209S와 L210S는 179-180에서 녹기 ° C. 표시 xGnP - 1과 고분자 복합 재료 모두, bimodal 용융 피크가 기록되었다. 추가 봉우리 (어깨)를 181-182에서 관찰되었다 ° xGnP - 1을 포함하고있는 샘플의 C #. 높은 온도 봉우리가 녹는 전환을 바보 흑연 nanoplatelets 사이에 갇힌 고분자 영역에 기인​​했다. 마찬가지로 그림 2에 표시된 DSC 분석도 깔끔한 폴리머는 상온에서 가열시, 차가운 결정을 받아야하는 것으로 나타났습니다. 추운 결정화 피크 온도가 93 사이에 기록된 - 106 ° C, 가열 속도에 따라 다릅니다. 그러나, DSC 분석 폴리머 매트릭스 중 하나에 xGnP - 1뿐만 아니라 이후에 차가운 결정을 감지하지 않았다.

그림 2. 세 가지 다른 가열 속도 (A) 괞찮아 L209S 및 (b) 괞찮아 L210S의 차가운 결정과 용해를 보여주는 DSC의 thermogr​​ams

그림 3은 용해에서 nonisothermal 냉각과 괞찮아의 L210S에 의해 형성되는 결정 구조의 크기에 xGnP - 1의 효과의 예제를 보여줍니다. 직경 100 μm의 (그림 3A) - 깔끔한 괞찮아는 spherulitic 구조 20 형성한다. 0.01 %의 추가 wt xGnP - 1 아주 작은 결정 구조 (그림 3, B)의 형성으로 이어질 결정 구조 xGnP - 1의 양을 1 wt %를 초과하면 광학 현미경을 사용하여 감지되지 않았습니다 동안.

그림. 3. (A) 순수 괞찮아 L210S의 spherulites를 보여주는 광학 micrographs, (B) 괞찮아 L210S/0.01 % wt xGnP - 1 (C) 괞찮아 L210S / 5 % wt xGnP - 1

괞찮아 / xGnP 복합 재료 (나노 TA 열 프로브 결과)의 결정

PLA/xGnP-1 복합의 용해 동작 추가를 사용하여 분석되었다 나노 조교에게 열 프로브를 xGnP와 DSC 분석에 의해 입증되지 않은 고분자 분자량의 응집 사이 가능한 연결을 조사하기 위해서. 결과는 아래 그림 4에 표시됩니다. 스트레이트 괞찮아 L209S와 괞찮아 L210S, 온도 곡선 대 편향 M - 모양되었습니다 들면 다음과 같습니다 팁 편향은 실온에서 약 80 가열시 증가 °까지 끝 온도까지 감소 C는 다시 약 100 ° C, 그리고 증가에 도달 . 용해 전이의 증상 (Tmo) 나노 TA 열 프로브 xGnP - 1과 다른 분자량 괞찮아 및 복합 재료의 용해 동작의 세 가지 주요 차이점을 밝혀

• 기록 Tmo이 낮은 (~ 150 ° C) 괞찮아 괞찮아 209S에 대한 L210S에 비해 (~ 159 ° C). 낮은 온도도 괞찮아 L210S/xGnP-1의 대응에 비해 괞찮아 L209S/xGnP-1 복합의 용해 전환의 시작을 위해 기록되었다.
• 괞찮아 L209S / xGnP - 1 복합​​에 대한 편향 곡선은 깔끔한 폴리머 (그림 4B)에 대해 기록되어있는 커브와 마찬가지로, M - 모양되었습니다. 괞찮아 L210S에 대한 온도 곡선 비교 편향도 (그림 4A) M - 모양했지만, 온도 편향의 선형 증가는 xGnP - 1을 포함하고있는 괞찮아 L210S 샘플의 대부분을 기록했다.
• 높은 deflections은 깔끔한 괞찮아의 L210S에 비해 모든 괞찮아 L210S/xGnP-1의 합성을위한 기록하는 동안 모든 괞찮아 L209S / xGnP - 1 복합​​ 들어, 기록된 deflections은 깔끔한 괞찮아 L209S (그림 4B)에 대한 측정 편향보다 낮은되었습니다 .

그림 (A) 괞찮아 L210S/xGnP-1 및 xGnP - 1의 다른 양의 (% wt)를 포함하는 (B) 괞찮아 L209S/xGnP-1 복합 4 나노 TA 열 프로브 곡선

용해 행동의 차이에 대한 세 가지 설명이있을 나타납니다. 첫째, 다양한 분자량의 두 괞찮아의 매트릭스에 xGnP - 1 분산의 차이는 nanoscale 열 분석의 대상이 때 복합 재료의 행동에 대한 책임로 간주되었다. 둘째, 탐사 열 분석을 스캔하는 동안 고용 매우 높은 가열 속도는 고분자 사슬의 기존 열 분석 (DSC)에 의해 감지되지 않았습니다 다시 조치의 신분을 활성화 의심했다. 셋째, 첫 번째 피크는 형성되는 표면 비정질 층 수 있습니다. (이 가설은 별도의 연구의 일환으로 연구해야합니다)

두 분자량 괞찮아 샘플에 xGnP - 1의 다양한 분산의 가능성도 동적 기계적 분석 (DMA)로 표시했습니다. DMA 결과, 특히, 낮은 분자량의 고분자 사용한 복합 재료의 경우 저장 계수 개선의 작은 범위를 지적했다. 그것은 xGnP - 1이 더 폴리머 crystallites 및 xGnP - 1 agglomerated되는 적은 영역을 생성, 더 nanoplatelets에 의해 nucleated했습니다 괞찮아 L210S에 잘 분산 가능성이 높습니다. PLA/xGnP-1 시스템 공부에 더 균일한 결정 구조는 그 높은 확률로 이어질 것이 나노 TA 열 프로브 팁 발생 폴리머는 xGnP - 1 agglomerates 지역보다는 spherulites. 팁 편향이 고분자 풍부한 지역에 대한 높은 것으로 예상됩니다.

나노 - TA 열 탐사선은 대량 특성화 방법입니다 DSC에서 본질적으로 다른 표면 기법,이다. 이 중요한 차이 외에도 두 기법에서 사용하는 난방 요금은 크게 다릅니다. DSC는 용융과 결정화을 조사 것은 3 ° 동안 동안 C / 분의 속도 가열 / 냉각에서 실시되었다 실행 나노 TA 열 프로브 실험 끝에이 (600 ° C / 분) 매우 빠른 가열되었다.을 이러한 차이의 능력에 대한 계정을 수 나노 TA 열 프로브 DSC 실험 기간 동안 느린 속도로 가열 큰 볼륨 샘플에 명백히하지 않는 샘플 표면에 폴리머 다시 조직 현상을 감지할 수 있습니다.

녹기에서 결정하는 것 외에도, 괞찮아 실내 온도에서 가열시, 차가운 결정을 겪습. 이 연구에 사용되는 깔끔한 괞찮아 샘플, 차가운 결정은 유리 전이 온도 (59-61 ° C) 이상과 용융 전이 온도 아래에 발생 (179 ° C) (그림 2). 그림 2는 또한 감기 결정의 범위는 괞찮아 L209S와 괞찮아의 L210S 모두에 대한 가열 속도에 의존 것을 보여줍니다. 두 고분자, 결정화 감기의 발병의 온도와 추위 결정화 피크의 온도에 대한 높은 가열 속도 높은되었습니다.

추가 연구가이 (앞서 말한) 확인 할 필요가 있지만, 저자는 xGnP - 1의 존재에 괞찮아의 차가운 결정이 독점적으로 감지이라고 생각 나노 TA 열 프로브 및 책임로 여겨지고 온도 곡선 대 편향의 M - 모양. 우리는 (같은 가열 속도)에 나노 조교에게 열 프로브를 사용하는 다른 semicrystalline의 고분자 없음 - PHB, PE, PP, 나일론은 - 같은 bimodal 행동을 보여주지하고 괞찮아 감기 결정화를 받아야하는 것으로 알려진 유일한 하나입니다

결론

1 μm의의 평균 직경 (xGnP - 1) 발생 피부 박피 흑연 nanoplatelets는 고분자의 용해에서 추위 결정화 및 결정 모두에 영향을 미치는 핵 괞찮아로 표시되었습니다. 그들은 또한 향상된 기계적 특성과 복합 재료로 이어지는이 강화 효과가 고분자 매트릭스의 분자량에 따라 보이는, 괞찮아에 강화 효과가 있었다. xGnP - 1 같은 금액은 높은 계수와 복합시킨 (3 %에 60 %의 개선 wt xGnP - 1)보다 높은 분자량 괞찮아에 통합하고, 낮은 분자량 모체의 경우에 상당한 개선을 생성하지 않자 . 폴리머 매트릭스에 xGnP - 1의 분산의 차이는 복합 '속성의 차이에 대한 중요한 원인으로 의심되었다. 차동 스캔 열량 (DSC)는 괞찮아의 분자량에 따라 결정 동작의 차이를 밝혀지만,이 고전적인 열 분석 방법의 결과는 고분자의 형태학과 xGnP의 분산에 직접 관련이있을 수 없습니다. 나노 TA 열 프로브 측정 고분자의 분자량에 따라 xGnP의 존재에 괞찮아의 결정 행동에 성공적으로 감지 차이.

출처 : 바이오 nanocomposites의 구조 속성 상관 관계
저자 : DG Miloaga 박사 HA Hosein, MJ 리치와 박사 LT Drzal
이 원본에 대한 자세한 내용은 참조하시기 바랍니다 Anasys 악기