Correlação da Estrutura e da Propriedade de Bionanocomposites Usando a Análise Térmica Nano e nano-TA dos Instrumentos de Anasys

Assuntos Cobertos

Introdução
Detalhes Experimentais
Materiais
Resultados e Discussão
Cristalização de Compostos de PLA/xGnP (resultados térmicos da ponta de prova nano-TA)
Conclusões

Introdução

As similaridades Dimensionais entre características físicas dos polímeros (tais como o raio de rotação e da espessura lamelosa) e nano-feito sob medida reforçando partículas conduzem à necessidade para ir além dos sistemas enchidos e para explorar em detalhe as interacções da polímero-partícula responsáveis para as propriedades melhoradas de nanocomposites do polímero. A Dispersão é uma questão básica em processar nanocomposites do polímero, e tem um impacto forte em propriedades mecânicas. Ao contrário da separação de fase (mais provavelmente para ocorrer ao incorporar enchimentos micro-feitos sob medida nos polímeros), como o tamanho dos enchimentos nas diminuições das matrizes do polímero, a dispersão e a aglomeração transformam-se os problemas importantes a ser superados ao tentar obter nanocomposites de capacidade elevada.

No caso das matrizes semicrystalline do polímero, os nanoparticles numerosos usados como reforços foram mostrados para actuar como agentes nucleating heterogêneos e podem ser usados como directores da estrutura e da morfologia. Os nanoplatelets Exfoliated da grafite (o xGnP (TM) que é uma marca registada de XG Ciências, Inc.) foram mostrados às matrizes semicrystalline nucleate do polímero tais como o polipropileno, e poli (3-hydroxybutyrate), determinando mudanças dramáticas em taxas da cristalização, morfologia do polímero, e propriedades dos compostos resultantes.

O estudo actual centra-se em usar a ponta de prova nano-TA térmica para a avaliação do efeito nucleating do xGnP (TM) em um bio-polímero, poli (ácido L-Láctico), e sobre o relacionamento de alterações na morfologia do polímero às mudanças nas propriedades mecânicas dos compostos.

A ponta de prova Nano-TA térmica é uma técnica Localizada da Análise Térmica que combine as capacidades altas da imagem lactente da definição espacial da microscopia atômica da força com a capacidade para obter a compreensão do comportamento térmico dos materiais com uma definição espacial de sub-100nm. A ponta convencional do AFM é substituída por uma ponta de prova nano-TA térmica especial que tenha um calefator diminuto encaixado e controlada pelo hardware e pelo software térmicos especialmente projetados da ponta de prova nano-TA. O AFM permite uma superfície de ser visualizado na definição do nanoscale com seus modos rotineiros da imagem lactente, que permite que o usuário seleccione os lugar espaciais em que para investigar as propriedades térmicas da superfície. O usuário obtem então esta informação aplicando o calor localmente através da ponta da ponta de prova e medindo a resposta termomecânica. Houve diversos exemplos na literatura da aplicação de sub-100nm MAIS LEVE QUE O AR no campo dos Polímeros e dos Fármacos.

Detalhes Experimentais

Materiais

Duas amostras polis diferentes do peso molecular (ácido L-Láctico) foram usadas neste estudo: RESOMERR L209S e RESOMERR L210S. Os nanoplatelets Exfoliated da grafite que têm um tamanho médio de 1 µm (xGnP-1) eram em-casa produzida. O xGnP tem uma área de superfície de ~100 m/g2 e consiste nas plaqueta aproximadamente 10 nanômetro na espessura e no 1 µm no diâmetro.

Os compostos ácidos Polylactic com os nanoplatelets expandidos da grafite (PLA/xGnP-1) foram preparados pela mistura da solução e pelo molde de compressão. A carga xGnP-1 variou 0 WT % a 9 WT % para ambas as amostras do PLA (L209S e 210S).

Resultados e Discussão

Cristalização de compostos de PLA/xGnP (Análise de DSC): Os módulos do armazenamento dos compostos PLA/xGnP-1, aumentados com quantidades crescentes de xGnP-1 na matriz do polímero. Polylactides é polímeros semicrystalline, e suas propriedades mecânicas, assim como as propriedades mecânicas dos compostos para que servem como matrizes, são esperadas depender da cristalinidade e da morfologia. Desde Que as amostras do composto foram preparadas usando o molde de compressão, um método de processamento dinâmico, a cristalização nonisothermal do derretimento foi analisado a fim explicar as diferenças observadas em módulos do armazenamento.

Segundo as indicações do Figo 1, a análise de DSC de PLA L209S, de PLA L210S, e de seus compostos com xGnP-1 revelou que o comportamento da cristalização de ambas as amostras do PLA estêve afectado significativamente por xGnP-1. As Baixas quantidades de xGnP-1 (peso de até 1%) conduzem às temperaturas aumentadas da cristalização do derretimento, que indicaram um efeito nucleating dos nanoplatelets, similar ao efeito nucleating observado recentemente em polyhydroxybutyrate/xGnP-1, e em compostos polipropileno/xGnP-1. Para o peso xGnP-1 de 1%, uma diferença clara foi observada no Figo 1 entre PLA L209S e PLA L210S: para o ponto baixo - a amostra do PLA do peso molecular, uma curva nonisothermal bimodal da cristalização foi observada, que poderia ser relacionada às edições da dispersão que conduzem ao obstáculo do crescimento de cristal. Nenhuma diferença significativa no comportamento da cristalização do derretimento foi observada entre os compostos dos dois polylactides diferentes do peso molecular que contêm quantidades de peso de xGnP-1 mais altamente de 1%. As curvas Bimodais da cristalização foram observadas mais para as quantidades aumentadas de xGnP-1 em ambas as matrizes, indicando a aglomeração possível das plaqueta e da criação de regiões polímero-ricas.

Figura 1. análise de DSC da cristalização nonisothermal do derretimento (a) de PLA L209S e (b) de PLA 210S

A análise de DSC (Figo 2.) indicou que o PLA puro L209S e o PLA L210S derretem em 179-180 °C. Para ambos os compostos do polímero com xGnP-1, os picos de derretimento bimodais foram gravados. Os picos Adicionais (ombros) foram observados no °C 181-182 nas amostras que contêm xGnP-1. Os picos mais altos da temperatura foram atribuídos às regiões do polímero prendidas em armadilha entre os nanoplatelets da grafite, que retardam a transição de derretimento. Segundo as indicações do Figo 2, a análise de DSC igualmente revelou que os polímeros puros se submetem à cristalização fria, em cima do aquecimento da temperatura ambiente. As temperaturas frias do pico da cristalização foram gravadas entre o °C 93 - 106, segundo a taxa de aquecimento. Contudo, a análise de DSC não detectou a cristalização fria após a adição de xGnP-1 a qualquer um uma das matrizes do polímero.

Figura 2. thermograms de DSC que mostram a cristalização e o derretimento frios (a) de PLA L209S e (b) de PLA L210S em três taxas de aquecimento diferentes

Figura 3 mostra um exemplo do efeito de xGnP-1 no tamanho das estruturas cristalinas formadas por PLA L210S com refrigerar nonisothermal do derretimento. O PLA puro forma as estruturas esferulíticas 20 - o µm 100 no diâmetro (Figura 3a). A adição do peso xGnP-1 de 0.01% conduz à formação de estruturas cristalinas muito menores (Figura 3, b), quando as estruturas cristalinas não eram microscopia óptica de utilização detectável quando as quantidades de xGnP-1 excederam 1 WT %.

Figura. 3. Micrografia Ópticas que mostram spherulites (a) de PLA puro L210S; (b) Peso xGnP-1 do PLA L210S/0.01% e (c) peso xGnP-1 do PLA L210S/5%

Cristalização de Compostos de PLA/xGnP (resultados térmicos da ponta de prova nano-TA)

O comportamento de derretimento dos compostos PLA/xGnP-1 foi analisado mais usando a ponta de prova nano-TA térmica a fim investigar as conexões possíveis entre a aglomeração do xGnP e o peso molecular do polímero que não foram evidenciadas pela análise de DSC. Os resultados são mostrados no Figo 4 abaixo. Para o PLA puro L209S e PLA L210S, a deflexão contra curvas da temperatura M-Foi dada forma: a deflexão da ponta aumentada em cima do aquecimento da temperatura ambiente a aproximadamente 80°C, diminuído até que a temperatura de ponta alcançou o °C aproximadamente 100, a seguir aumentou outra vez até o início da transição de derretimento (Tmo). A ponta de prova Nano-TA térmica revelou três diferenças principais no comportamento de derretimento do PLA diferente do peso molecular e de seus compostos com xGnP-1:

  • O Tmo gravado era mais baixo (°C) do ~ 150 para PLA 209S do que para PLA L210S (°C) ~159. Umas Mais Baixas temperaturas foram gravadas igualmente para o início da transição de derretimento de compostos do PLA L209S/xGnP-1 do que para as contrapartes do PLA L210S/xGnP-1.
  • As curvas da deflexão para compostos do PLA L209S/xGnP-1 M-Foram dadas forma, similar às curvas gravadas para o polímero puro (Figura 4b). A deflexão contra a curva da temperatura para PLA L210S M-Foi dada forma igualmente (Figura 4a), mas os aumentos lineares da deflexão com temperatura foram gravados para a maioria das amostras do PLA L210S que contêm xGnP-1.
  • Para todos os compostos do PLA L209S/xGnP-1, as deflexões gravadas eram mais baixas do que a deflexão medida para o PLA puro L209S (Figura 4b), quando umas deflexões mais altas foram gravadas para todos os compostos do PLA L210S/xGnP-1 do que para o PLA puro L210S.

A Figura 4 ponta de prova nano-TA térmica curva-se para (a) PLA L210S/xGnP-1 e (b) compostos do PLA L209S/xGnP-1 que contêm quantidades diferentes (% do peso) de xGnP-1

Parece estar três explicações possíveis para as diferenças no comportamento de derretimento. Primeiramente, as diferenças na dispersão xGnP-1 nas duas matrizes do PLA do peso molecular diferente foram consideradas ser responsáveis para o comportamento dos compostos quando sujeitadas à análise térmica do nanoscale. Em Segundo, a taxa de aquecimento extremamente alta empregada durante a análise térmica da ponta de prova da exploração foi suspeitada para ter permitido a identificação dos rearranjos da corrente do polímero que não eram detectáveis pela análise térmica convencional (DSC). Em Terceiro Lugar, o primeiro pico podia ser uma camada amorfa de superfície que está sendo formada. (Esta hipótese terá que ser estudada como parte de um estudo separado)

A possibilidade de dispersão diferente de xGnP-1 nas duas amostras do PLA do peso molecular foi indicada igualmente pela Análise Mecânica Dinâmica (DMA). O ACESSO DIRECTO DA MEMÓRIA resulta, em particular, indicou uma extensão menor da melhoria no módulo do armazenamento no caso dos compostos preparados com o polímero mais baixo do peso molecular. É provável que xGnP-1 se dispersou melhor no PLA L210S, que era melhor nucleated pelos nanoplatelets, gerando mais cristalites do polímero e menos regiões em que xGnP-1 aglomerou. Nos sistemas PLA/xGnP-1 estudados, mais estruturas cristalinas uniformes conduziriam a umas probabilidades mais altas que a ponta térmica da ponta de prova nano-TA encontrasse spherulites do polímero um pouco do que as regiões onde xGnP-1 aglomera. A deflexão da ponta seria esperada ser mais alta para regiões polímero-ricas.

A ponta de prova Nano-TA térmica é uma técnica de superfície, essencialmente diferente de DSC, que é um método maioria da caracterização. Além desta diferença importante, as taxas de aquecimento usadas pelas duas técnicas são significativamente diferentes. As corridas de DSC que investigam o derretimento e a cristalização estiveram conduzidas em velocidades de arrefecimento do aquecimento de 3 °C/min, quando durante as experiências que térmicas da ponta de prova nano-TA a ponta era caloroso jejue extremamente (600 °C/min). Esta diferença pôde esclarecer a capacidade da ponta de prova nano-TA térmica para detectar os fenômenos da reorganização do polímero na superfície da amostra que não são evidentes nas amostras maiores do volume calorosos em umas taxas mais lentas durante as experiências de DSC.

Além do que a cristalização do derretimento, o PLA submete-se à cristalização fria, em cima do aquecimento da temperatura ambiente. Para as amostras puras do PLA usadas neste estudo, a cristalização fria ocorreu acima da temperatura de transição de vidro (°C) 59-61 e abaixo da temperatura de transição de derretimento (°C) 179 (Figura 2). Figura 2 igualmente mostra que a extensão da cristalização fria dependeu da taxa de aquecimento para PLA L209S e PLA L210S. Para ambos os polímeros, as temperaturas do início da cristalização fria, e as temperaturas dos picos frios da cristalização eram mais altas para umas taxas de aquecimento mais altas.

Quando uns estudos mais adicionais deverão ser feitos para confirmar isto (como mencionado mais cedo), os autores acreditam que a cristalização fria do PLA na presença de xGnP-1 estêve detectada exclusivamente pela ponta de prova nano-TA térmica e está acreditada para ser responsável para a M-Forma da deflexão contra curvas da temperatura. Nenhuns dos outros polímeros semicrystalline que nós usamos a ponta de prova nano-TA térmica sobre (nas mesmas taxas de aquecimento) - PHB, PE, PP, Nylon - mostraram que tais comportamento e PLA bimodais é único conhecido para se submeter à cristalização fria

Conclusões

Os nanoplatelets Exfoliated da grafite que têm um diâmetro médio de 1 µm (xGnP-1) foram mostrados ao PLA nucleate, afetando a cristalização fria e a cristalização do derretimento do polímero. Igualmente tiveram um efeito de reforço no PLA, conduzindo aos compostos com propriedades mecânicas melhoradas e este efeito de reforço pareceu ser dependente do peso molecular da matriz do polímero. A mesma quantidade de xGnP-1 conduziu aos compostos com módulo mais alto (melhoria de até 60% para o peso xGnP-1 de 3%) quando incorporada em um PLA mais alto do peso molecular, e não gerou a melhoria significativa no caso de uma matriz mais baixa do peso molecular. As Diferenças na dispersão de xGnP-1 nas matrizes do polímero foram suspeitadas para ser a causa essencial para as diferenças nas propriedades dos compostos. A calorimetria de exploração Diferencial (DSC) revelou diferenças no comportamento da cristalização segundo o peso molecular do PLA, mas os resultados deste método de análise térmica clássico não poderiam directamente ser relacionados à morfologia do polímero e à dispersão do xGnP. As medidas de ponta de prova Nano-TA térmicas detectaram com sucesso diferenças no comportamento da cristalização do PLA na presença do xGnP, segundo o peso molecular do polímero.

Source: Correlação da Propriedade da Estrutura de Bio-nanocomposites
Autor: D.G. Miloaga, Dr. H.A. Hosein, M.J. Rico e Dr. L.T Drzal
Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Instrumentos de Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 21:20

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