De Correlatie van de Structuur en van het Bezit van Bionanocomposites Nano Thermische Analyse Gebruiken en nano-Ta die van Instrumenten Anasys

Besproken Onderwerpen

Inleiding
Experimentele Details
Materialen
Resultaten en Bespreking
Kristallisatie van Samenstellingen PLA/xGnP (nano-Ta thermische sonderesultaten)
Conclusies

Inleiding

De Dimensionale gelijkenissen tussen fysieke kenmerken van polymeren (zoals straal van winding en gelamelleerde dikte) en nano-gerangschikte het versterken deeltjes leiden tot de noodzaak om voorbij gevulde systemen te gaan en polymeer-deeltje interactie in detail te onderzoeken verantwoordelijk voor de betere eigenschappen van polymeer nanocomposites. De Verspreiding is een hoofdthema in verwerkingspolymeer nanocomposites, en heeft een sterke invloed op mechanische eigenschappen. In tegenstelling tot fasescheiding (die waarschijnlijk zal voorkomen wanneer het opnemen van micro-gerangschikte vullers in polymeren), aangezien de grootte van de vullers in de polymeermatrijzen vermindert, de verspreiding en de agglomeratie de belangrijke te overwinnen moeilijkheden worden wanneer het proberen om krachtige nanocomposites te verkrijgen.

In het geval van semicrystalline polymeermatrijzen, werden talrijke die nanoparticles als versterkingen wordt gebruikt getoond om als heterogeene nucleating agenten dienst te doen en kunnen als structuur en de morfologiedirecteuren worden gebruikt. Afgebladderde grafietnanoplatelets (xGnP (TM) wat een handelsteken van Wetenschappen is XG werden, Inc.) getoond aan nucleate semicrystalline polymeermatrijzen zoals polypropyleen, en poly (3 -3-hydroxybutyrate), bepalend dramatische veranderingen in kristallisatietarieven, de polymeermorfologie, en eigenschappen van de resulterende samenstellingen.

De huidige studie concentreert zich bij het gebruiken van thermische sonde nano-Ta voor de evaluatie van het nucleating effect van xGnP (TM) op biopolymeren, poly (l-Lactisch zuur), en bij het met elkaar in verband brengen van wijzigingen in de morfologie van het polymeer met veranderingen in de mechanische eigenschappen van de samenstellingen.

De thermische sonde nano-Ta is een Gelokaliseerde Thermische techniek van de Analyse die de hoge ruimtemogelijkheden van de resolutieweergave van de atoomkrachtmicroscopie met de capaciteit combineert om begrip van het thermische gedrag van materialen met een ruimteresolutie van sub-100nm te verkrijgen. Het conventionele uiteinde AFM wordt vervangen door een speciale thermische sonde nano-Ta die een ingebedde miniatuurverwarmer heeft en door de speciaal ontworpen nano-Ta thermische sondehardware en de software gecontroleerd. AFM laat dat een oppervlakte toe wordt gevisualiseerd bij nanoscaleresolutie met zijn routineweergavewijzen, die de gebruiker toestaat om de ruimteplaatsen te selecteren waarbij de thermische eigenschappen van de oppervlakte te onderzoeken. De gebruiker verkrijgt dan deze informatie door hitte via het sondeuiteinde plaatselijk toe te passen en de thermomechanische reactie te meten. Er zijn verscheidene voorbeelden in de literatuur van de toepassing van sub-100nm LICHTER DAN DE LUCHT op het gebied van Polymeren en Geneesmiddelen geweest.

Experimentele Details

Materialen

Twee verschillende moleculegewicht poly (l-Lactisch zuur) steekproeven werden gebruikt in deze studie: RESOMERR L209S EN RESOMERR L210S. Afgebladderde grafietnanoplatelets die een gemiddelde grootte van 1 µm (xGnP-1) hebben werden binnenshuis geproduceerd. XGnP heeft een oppervlakte van ~100 m/g2 en bestaat uit plaatjes ongeveer 10 NM uit dikte en 1 µm uit diameter.

Polylactic zure samenstellingen met uitgebreide grafietnanoplatelets (PLA/xGnP-1) werden voorbereid door zich oplossings te mengen en compressie te vormen. De xGnP-1 lading varieerde van 0 % gew. aan 9 % gew. voor beide steekproeven PLA (L209S en 210S).

Resultaten en Bespreking

Kristallisatie van samenstellingen PLA/xGnP (Analyse DSC): De opslagmodulussen van samenstellingen PLA/xGnP-1, met stijgende bedragen van xGnP-1 in de polymeermatrijs die worden verhoogd. Polylactides is semicrystalline polymeren, en hun mechanische eigenschappen, evenals mechanische eigenschappen van de samenstellingen waarvoor zij dienen aangezien de matrijzen, van kristalliniteit en de morfologie zouden moeten afhangen. Aangezien de samengestelde steekproeven gebruikend compressie het vormen werden voorbereid, werd een dynamisch verwerkingsprocédé, de nonisothermal kristallisatie van de smelting geanalyseerd die de verschillen nader toe te lichten in opslagmodulussen worden waargenomen.

Zoals aangetoond in Fig. 1, openbaarde de analyse DSC van PLA L209S, PLA L210S, en hun samenstellingen met xGnP-1 dat het kristallisatiegedrag van beide steekproeven PLA beduidend door xGnP-1 werd beïnvloed. De Lage bedragen van xGnP-1 (tot 1% gewicht) leiden tot de verhoogde temperaturen van de smeltingskristallisatie, die op een nucleating effect van nanoplatelets wezen, gelijkend op het nucleating die effect onlangs in polyhydroxybutyrate/xGnP-1, en samenstellingen polypropyleen wordt waargenomen/xGnP-1. Voor 1% gewicht xGnP-1, werd een duidelijk verschil waargenomen in Fig. 1 tussen PLA L209S en PLA L210S: voor laag - de moleculegewichtPLA steekproef, werd een bimodale nonisothermal kristallisatiekromme waargenomen, die op verspreidingskwesties zou kunnen worden betrekking gehad die tot belemmering van de kristalgroei leiden. Geen significante verschillen in het gedrag van de smeltingskristallisatie werden waargenomen tussen de samenstellingen van het twee verschillende moleculegewicht polylactides bevattend bedragen van xGnP-1 hoger dan 1% krommen van de gew. de Bimodale kristallisatie verder voor verhoogde bedragen van xGnP-1 in zowel matrijzen werden waargenomen, die op mogelijke agglomeratie van de plaatjes als verwezenlijking van polymeer-rijke gebieden wijzen.

Figuur 1. Analyse DSC van de nonisothermal kristallisatie van de smelting van (a) PLA L209S en (b) PLA 210S

De analyse DSC (Fig. 2.) wees erop dat keurige PLA L209S en PLA L210S bij 179-180 °C. smelten. Voor beide polymeersamenstellingen met xGnP-1, werden de bimodale smeltende pieken geregistreerd. De Extra pieken (schouders) werden bij 181-182 °C in de steekproeven waargenomen die xGnP-1 bevatten. De hogere die temperatuurpieken werden toegeschreven aan polymeergebieden tussen grafietnanoplatelets worden gevangen, die de het smelten overgang ophouden. Zoals aangetoond in Fig. 2, openbaarde de analyse DSC ook dat de keurige polymeren koude kristallisatie, op het verwarmen van kamertemperatuur ondergaan. De koude kristallisatie piektemperaturen werden geregistreerd tussen 93 - 106 °C, afhankelijk van het het verwarmen tarief. Nochtans, ontdekte de analyse DSC geen koude kristallisatie na toevoeging van xGnP-1 aan ook niet één van de polymeermatrijzen.

Figuur 2. Thermogrammen DSC die de het koude kristallisatie en smelten van (a) PLA L209S en (b) PLA L210S tonen aan drie verschillende het verwarmen tarieven

Figuur 3 toont een voorbeeld van het effect van xGnP-1 op de grootte van de kristallijne die structuren door PLA L210S met het nonisothermal koelen van de smelting worden gevormd. Keurige PLA vormt spherulitic structuren 20 - 100 µm in diameter (Cijfer 3a). De toevoeging van 0.01% gewicht xGnP-1 leidt tot vorming van veel kleinere kristallijne structuren (Figuur 3, B), terwijl de kristallijne structuren niet opspoorbaar gebruikend de optische microscopie waren toen de bedragen van xGnP-1 1 % gew. overschreden.

Cijfer. 3. Optische micrografen die sferoliet van (a) zuivere PLA L210S tonen; (b) PLA L210S/0.01% gewicht xGnP-1 en (c) PLA L210S/5% gewicht xGnP-1

Kristallisatie van Samenstellingen PLA/xGnP (nano-Ta thermische sonderesultaten)

Het het smelten gedrag van samenstellingen PLA/xGnP-1 werd verder geanalyseerd gebruikend thermische sonde nano-Ta om mogelijke aanslutingen tussen agglomeratie van xGnP en polymeer moleculegewicht te onderzoeken die niet door de analyse DSC blijk van werden gegeven van. De resultaten worden hieronder getoond in Fig. 4. Voor keurige PLA L209S en PLA L210S, werd de afbuiging tegenover temperatuurkrommen m-Gevormd: de uiteindeafbuiging steeg op het verwarmen van verminderde kamertemperatuur tot ongeveer 80°C, tot de uiteindetemperatuur opnieuw ongeveer 100 °C bereikte, dan tot het begin van het smelten overgang steeg (Tmo). De thermische sonde nano-Ta openbaarde drie belangrijke verschillen in het het smelten gedrag van het verschillende moleculegewicht PLA en hun samenstellingen met xGnP-1:

  • Geregistreerde Tmo was lager (~ 150 °C) voor PLA 209S dan voor PLA L210S (~159 °C). De Lagere temperaturen werden ook geregistreerd voor het begin van het smelten overgang van samenstellingen PLA l209S/xGnP-1 dan voor de tegenhangers PLA l210S/xGnP-1.
  • De afbuigingskrommen voor samenstellingen PLA werden L209S/xGnP-1 m-Gevormd, gelijkaardig aan de krommen voor het keurige polymeer worden geregistreerd (Cijfer dat 4b). De afbuiging tegenover temperatuurkromme voor werd PLA L210S ook m-Gevormd (Cijfer 4a), maar de lineaire verhogingen van afbuiging met temperatuur werden voor de meerderheid van de steekproeven PLA geregistreerd die L210S xGnP-1 bevatten.
  • Voor alle samenstellingen die PLA L209S/xGnP-1, waren de geregistreerde afbuigingen lager dan de afbuiging voor keurige PLA L209S wordt gemeten (Cijfer 4b), terwijl de hogere afbuigingen voor alle samenstellingen PLA l210S/xGnP-1 dan voor keurige PLA L210S werden geregistreerd.

Figuur 4 nano-Ta thermische sondekrommen voor (a) PLA l210S/xGnP-1 en (b) de samenstellingen die van PLA l209S/xGnP-1 verschillende bedragen (% gewicht) bevatten van xGnP-1

Er schijnen drie mogelijke verklaringen voor de verschillen in het smelten gedrag te zijn. Eerst, werden de verschillen in xGnP-1 verspreiding in de twee matrijzen PLA van verschillend moleculegewicht beschouwd als om voor het samenstellingengedrag verantwoordelijk wanneer onderworpen aan nanoscale thermische analyse. Ten Tweede, werd het uiterst hoge die het verwarmen tarief tijdens de thermische analyse van de aftastensonde wordt aangewend verdacht om de identificatie van de herschikkingen van de polymeerketting toegelaten te hebben die niet opspoorbaar door conventionele thermische analyse (DSC) waren. Ten Derde, zou de eerste piek een oppervlakte amorfe laag kunnen zijn die worden gevormd. (Deze hypothese zal als deel van een afzonderlijke studie moeten worden bestudeerd)

De mogelijkheid van verschillende verspreiding van xGnP-1 in de twee moleculegewichtPLA steekproeven werd ook vermeld door Dynamische Mechanische Analyse (DMA). DMA resulteert, in het bijzonder, gewezen op een kleinere die omvang van verbetering in opslagmodulus in het geval van samenstellingen met het lagere moleculegewichtpolymeer worden voorbereid. Het is waarschijnlijk dat xGnP-1 beter in PLA L210S verspreidde, die door nanoplatelets beter nucleated was, producerend meer polymeerkristallieten en minder gebieden waarin xGnP-1 zich opeenhoopte. In bestudeerde systemen PLA/xGnP-1, zouden de meer eenvormige kristallijne structuren leiden tot hogere waarschijnlijkheid dat het nano-Ta thermische sondeuiteinde polymeersferoliet eerder dan gebieden waar agglomeraten xGnP-1 ontmoet. De uiteindeafbuiging hoger worden verwacht om voor polymeer-rijke gebieden te zijn.

De thermische sonde nano-Ta is een oppervlaktetechniek, hoofdzakelijk verschillend van DSC, die een bulkkarakteriseringsmethode is. Naast dit belangrijke die verschil, zijn de het verwarmen tarieven door de twee technieken worden gebruikt beduidend verschillend. DSC stelt het onderzoeken het smelten in werking en de kristallisatie werd geleid bij het verwarmen van het koelen tarieven van 3 °C/min, terwijl tijdens nano-Ta de thermische sonde het uiteinde experimenteert (600 °C/min) uiterst snel werd verwarmd. Dit verschil zou van de capaciteit van thermische sonde kunnen rekenschap geven nano-Ta om de fenomenen van de polymeerreorganisatie op de steekproefoppervlakte te ontdekken die niet duidelijk in grotere die volumesteekproeven aan langzamere tarieven tijdens de experimenten DSC worden verwarmd zijn.

Naast kristallisatie van de smelting, ondergaat PLA koude kristallisatie, op het verwarmen van kamertemperatuur. Voor keurige die steekproeven PLA in deze studie worden gebruikt, kwam de koude kristallisatie boven de temperatuur van de glasovergang (59-61 °C) en onder de het smelten overgangstemperatuur voor (179 °C) (Figuur 2). Figuur 2 toont ook aan dat de omvang van koude kristallisatie van het verwarmen tarief voor zowel PLA L209S als PLA L210S afhing. Voor beide polymeren, waren de temperaturen van begin van koude kristallisatie, en de temperaturen van de koude kristallisatiepieken hoger voor hogere het verwarmen tarieven.

Terwijl de verdere studies zullen moeten worden gedaan dit (zoals vroeger vermeld) bevestigen, geloven de auteurs dat de koude kristallisatie van PLA in aanwezigheid van xGnP-1 uitsluitend door de thermische sonde nano-Ta werd ontdekt en om voor de m-Vorm van de afbuiging tegenover temperatuurkrommen verantwoordelijk wordt verondersteld te zijn. Geen van de andere semicrystalline polymeren dat wij thermische sonde nano-Ta (aan de zelfde het verwarmen tarieven) - PHB, PE, PP, Nylon gebruikten - toonde dergelijk bimodaal gedrag en PLA is enige gekend om koude kristallisatie te ondergaan

Conclusies

Afgebladderde grafietnanoplatelets die een gemiddelde diameter van 1 µm (xGnP-1) hebben werden getoond aan nucleate PLA, beïnvloedend zowel de koude kristallisatie als de kristallisatie van de smelting van het polymeer. Zij hadden ook een versterkend effect op PLA, scheen leiden tot samenstellingen met betere mechanische eigenschappen en dit versterkende effect afhankelijk van het moleculegewicht van de polymeermatrijs te zijn. Het zelfde bedrag van xGnP-1 leidde tot samenstellingen met hogere modulus (het tot 60% verbetering voor 3% gewicht xGnP-1) wanneer opgenomen in hoger moleculegewicht produceerde PLA, en geen significante verbetering in het geval van een lagere moleculegewichtmatrijs. De Verschillen in de verspreiding van xGnP-1 in de polymeermatrijzen werden verdacht om de essentiële oorzaak voor de verschillen in de eigenschappen van samenstellingen te zijn. De Differentieel aftastencalorimetrie (DSC) openbaarde verschillen in het kristallisatiegedrag afhankelijk van het moleculegewicht van PLA, maar de resultaten van deze klassieke thermische analysemethode konden niet direct op de morfologie van het polymeer en op de verspreiding van xGnP worden betrekking gehad. Nano-Ta de thermische sondemetingen ontdekten met succes verschillen in het kristallisatiegedrag van PLA in aanwezigheid van xGnP, afhankelijk van het moleculegewicht van het polymeer.

Bron: De Correlatie van het Bezit van de Structuur van Bio -bio-nanocomposites
Auteur: D.G. Miloaga, Dr. H.A. Hosein, M.J. Rijken en Dr. L.T Drzal
Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Instrumenten Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 17:43

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit