Корреляция Структуры и Свойства Bionanocomposites Используя Nano Термальный Анализ и nano-TA от Аппаратур Anasys

Покрытые Темы

Введение
Экспириментально Детали
Материалы
Результаты и Обсуждение
Кристаллизация Смесей PLA/xGnP (термальные результаты зонда nano-TA)
Заключения

Введение

Габаритные сходства между физическими характеристиками полимеров (как радиус гирации и тонкослоистой толщины) и nano-определено размер усиливающ частицы водят к необходимости для того чтобы пойти вне заполненные системы и исследовать подробно взаимодействия полимер-частицы ответственные для улучшенных свойств nanocomposites полимера. Рассеивание ключевой вопрос в обрабатывать nanocomposites полимера, и имеет сильный удар на механически свойствах. В отличие от разъединения участка (более вероятно произойти включая микро--определенные размер заполнители в полимерах), как размер заполнителей в уменшениях матриц полимера, рассеивание и аггломерация будут важными проблемами, котор нужно отжать пытая получить высокопроизводительные nanocomposites.

В случае semicrystalline матриц полимера, были показаны, что подействовали как несродные nucleating агенты и могут быть использованы многочисленние nanoparticles используемые как подкрепления как директоры структуры и словотолкования. Exfoliated nanoplatelets графита (xGnP (TM) которое торговая марка XG Наук, Inc.) были показаны к nucleate semicrystalline матрицам полимера как полипропилен, и поли (3-hydroxybutyrate), определяющ значительные перемены в скоростях кристаллизации, словотолкование полимера, и свойства возникающих смесей.

Текущее исследование фокусирует на использовании термального зонда nano-TA для оценки nucleating влияния xGnP (TM) на биополимере, поли (L-Молочная кислота), и на относить изменения в словотолковании полимера к изменениям в механически свойствах смесей.

Термальный зонд Nano-TA Локализованный метод Термального Анализа который совмещает высокие возможности воображения пространственного разрешения атомной микроскопии усилия с способностью получить вникание термального поведения материалов с пространственным разрешением sub-100nm. Обычная подсказка AFM заменена специальным термальным зондом nano-TA который имеет врезанный миниатюрный подогреватель и проконтролирована специально конструированными термальными оборудованием и ПО зонда nano-TA. AFM позволяет поверхность быть визуализированным на разрешении nanoscale с своими по заведенному порядку режимами воображения, которое позволяет пользователю выбрать пространственные положения на которых расследовать термальные свойства поверхности. Пользователь после этого получает эту информацию путем прикладывать жару по месту через подсказку зонда и измерять термомеханикомагнитную реакцию. Несколько примеров в литературе применения sub-100nm LTA в поле Полимеров и Фармацевтической продукции.

Экспириментально Детали

Материалы

2 различных образца молекулярных веса поли (L-Молочных кислота) были использованы в этом изучении: RESOMERR L209S и RESOMERR L210S. Exfoliated nanoplatelets графита имея средний размер 1 µm (xGnP-1) были произведенное внутренний. XGnP имеет поверхностную зону ~100 m/g2 и состоит из бляшек приблизительно 10 nm в толщине и 1 µm в диаметре.

Polylactic кисловочные смеси с расширенными nanoplatelets графита (PLA/xGnP-1) были подготовлены смешивать и формованием прессованием разрешения. Нагрузка xGnP-1 поменяла от 0 WT % к 9 WT % для обоих образцов PLA (L209S и 210S).

Результаты и Обсуждение

Кристаллизация смесей PLA/xGnP (Анализа DSC): Модули хранения смесей PLA/xGnP-1, увеличенные 0Nс увеличением количеством xGnP-1 в матрице полимера. Polylactides semicrystalline полимеры, и их механически свойства, так же, как механически свойства смесей для которых они служят как матрицы, предположены к кристалличности и словотолкованию быть в зависимости от. В Виду Того Что комплексные образецы были подготовлены используя формование прессованием, динамический обрабатывая метод, nonisothermal кристаллизация от melt был проанализирован для того чтобы разъяснить разницы наблюдаемые в модулях хранения.

Как показано в Смокве 1, анализ DSC PLA L209S, PLA L210S, и их смесей с xGnP-1 показал что поведение кристаллизации обоих образцов PLA значительно было повлияно на xGnP-1. Низкое количество xGnP-1 (веса до 1%) водит к увеличенным температурам кристаллизации melt, которые показали nucleating влияние nanoplatelets, подобное к nucleating влиянию наблюдаемому недавно в polyhydroxybutyrate/xGnP-1, и смесях полипропилене/xGnP-1. Для веса xGnP-1 1%, ясная разница наблюдалась в Смокве 1 между PLA L209S и PLA L210S: для низкомолекулярного образца PLA веса, наблюдалась двухмодовая nonisothermal кривая кристаллизации, которая смогла быть отнесена к вопросам рассеивания водя к помехе выращивания кристаллов. Никакие значительно разницы в поведении кристаллизации melt не наблюдались между смесями 2 различных polylactides молекулярного веса содержа количество веса xGnP-1 более высоко чем 1%. Двухмодовые кривые кристаллизации более добавочно наблюдались для увеличенного количества xGnP-1 в обеих матрицах, показывая возможную аггломерацию бляшек и творения зон полимер-богатые люди.

Диаграмма 1. анализ DSC nonisothermal кристаллизации от melt (a) PLA L209S и (b) PLA 210S

Анализ DSC (Смоква 2.) показал что опрятный PLA L209S и PLA L210S плавят на 179-180 °C. Для обеих смесей полимера с xGnP-1, были записаны двухмодовые плавя пики. Дополнительные пики (плечи) наблюдались на °C 181-182 в образцах содержа xGnP-1. Более высокие пики температуры были приписаны к зонам полимера пойманным в ловушку между nanoplatelets графита, которые задерживают плавя переход в развитии. Как показано в Смокве 2, анализ DSC также показал что опрятные полимеры проходят холодную кристаллизацию, на топлении от комнатной температуры. Холодные температуры пика кристаллизации были записаны между °C 93 до 106, в зависимости от тарифа на отопление. Однако, анализ DSC не обнаружил холодную кристаллизацию после добавления xGnP-1 к тому одна из матриц полимера.

Диаграмма 2. термограммы DSC показывая холодные кристаллизацию и плавить (a) PLA L209S и (b) PLA L210S на 3 различных тарифах на отопление

На Диаграмму 3 показано пример влияния xGnP-1 на размере кристаллических строений сформированных PLA L210S с nonisothermal охлаждать от melt. Опрятный PLA формирует spherulitic структуры 20 до µm 100 в диаметре (Диаграмме 3a). Добавление веса xGnP-1 0.01% водит к образованию гораздо малее кристаллических строений (Диаграммы 3, b), пока кристаллические строения не были обнаружены используя оптически микроскопию когда количество xGnP-1 превысило 1 WT %.

Диаграмма. 3. Оптически микрорисунки показывая сферолиты (a) чисто PLA L210S; (b) Вес xGnP-1 PLA L210S/0.01% и (c) вес xGnP-1 PLA L210S/5%

Кристаллизация Смесей PLA/xGnP (термальные результаты зонда nano-TA)

Плавя поведение смесей PLA/xGnP-1 более добавочно было проанализировано используя термальный зонд nano-TA для того чтобы расследовать возможную аггломерацию связь между веса xGnP и полимера молекулярного которые не были проявлены анализом DSC. Результаты показаны в Смокве 4 внизу. Для опрятного PLA L209S и PLA L210S, отклонение против кривых температуры было M-Форменно: отклонение подсказки увеличенное на топлении от комнатной температуры к приблизительно уменьшенному 80°C, до тех пор пока температура подсказки не достигнет °C приблизительно 100, тогда не увеличит снова до натиска плавя перехода (Tmo). Термальный зонд Nano-TA показал 3 основного отличия в плавя поведении различного PLA молекулярного веса и их смесей с xGnP-1:

  • Записанное Tmo было более низко (°C ~ 150) для PLA 209S чем для PLA L210S (°C ~159). Более Низкие температуры также были записаны для натиска плавя перехода смесей PLA L209S/xGnP-1 чем для двойников PLA L210S/xGnP-1.
  • Кривые прогиба для смесей PLA L209S/xGnP-1 были M-Форменны, подобно к кривым записанным для опрятного полимера (Диаграммы 4b). Отклонение против кривого температуры для PLA L210S было также M-Форменно (Диаграмма 4a), но линейные увеличения отклонения с температурой были записаны для большинства образцов PLA L210S содержа xGnP-1.
  • Для всех смесей PLA L209S/xGnP-1, записанные отклонения были более низки чем отклонение измеренное для опрятного PLA L209S (Диаграммы 4b), пока более высокие отклонения были записаны для всех смесей PLA L210S/xGnP-1 чем для опрятного PLA L210S.

Диаграмма 4 термальный зонд nano-TA изгибает для (a) смесей PLA L210S/xGnP-1 и (b) PLA L209S/xGnP-1 содержа различное количество (% веса) xGnP-1

Кажется, что будут 3 возможных объяснения для разниц в плавя поведении. Во-первых, были рассмотрены, что были разницы в рассеивании xGnP-1 в 2 матрицах PLA различного молекулярного веса ответствены для поведения смесей подвергано к анализу nanoscale термальному. Во-вторых, был заподозрены, что включил весьма высокий тариф на отопление используемый во время анализа зонда скеннирования термального идентификацию перераспределений цепи полимера которые не были обнаружены обычным термальным анализом (DSC). В-третьих, первый пик смог быть поверхностным аморфическим будучи сформированным слоем. (Это предположение быть изученным как часть отдельно изучения)

Возможность различного рассеивания xGnP-1 в 2 образцах PLA молекулярного веса также была показана Динамическим Механически Анализом (DMA). DMA приводит к, в частности, показал более малый размер улучшения в модуле хранения в случае подготовленных смесей с более низкомолекулярным полимером веса. Правоподобно что xGnP-1 разметало более лучше в PLA L210S, который был более лучше nucleated nanoplatelets, производящ больше кристаллитов полимера и men6we зон в которых xGnP-1 агломерировало. В изученных системах PLA/xGnP-1, более равномерные кристаллические строения вели бы к более высоким вероятностям которым термальная подсказка зонда nano-TA сталкивается сферолиты полимера вернее чем зоны где xGnP-1 агломерирует. Было бы ожидано, что было отклонение подсказки более высоко для зон полимер-богатые люди.

Термальный зонд Nano-TA поверхностный метод, различный по существу от DSC, которое навальный метод характеризации. Кроме этой важной разницы, тарифы на отопление используемые 2 методами значительно друг. Бега DSC расследуя плавить и кристаллизацию были дирижированы на тарифах топления охлаждая 3 °C/min, пока во время термальных экспериментов по зонда nano-TA подсказка была нагретые весьма быстрыми (600 °C/min). Эта разница могла определить способность термального зонда nano-TA обнаружить явления реорганизации полимера на поверхности образца которые не очевидны в более больших образцах тома нагретых на более медленных тарифах во время экспериментов по DSC.

В дополнение к кристаллизации от melt, PLA проходит холодную кристаллизацию, на топлении от комнатной температуры. Для опрятных образцов PLA используемых в этом изучении, холодная кристаллизация произошла над температурой стеклянного перехода (°C 59-61) и под плавя температурой перехода (°C 179) (Диаграмма 2). На Диаграмму 2 также показано что размер холодной кристаллизации зависел на тарифе на отопление как для PLA L209S, так и для PLA L210S. Для обоих полимеров, температуры натиска холодной кристаллизации, и температуры холодных пиков кристаллизации были более высоки для более высоких тарифов на отопление.

Пока более дополнительным изучениям будет нужно быть сделанным для того чтобы подтвердить это (как упомянуто более раньше), авторы верят что холодная кристаллизация PLA в присутствии к xGnP-1 исключительно была обнаружена термальным зондом nano-TA и поверены, что будет ответствена для M-Формы отклонения против кривых температуры. Никакие из других semicrystalline полимеров что мы использовали термальный зонд nano-TA дальше (на таких же тарифах на отопление) - PHB, PE, PP, Нейлон - показали что такие двухмодовые поведение и PLA единственное одно известные, что прошел холодную кристаллизацию

Заключения

Exfoliated nanoplatelets графита имея средний диаметр 1 µm (xGnP-1) были показаны к nucleate PLA, влияющ на и холодную кристаллизацию и кристаллизацию от melt полимера. Они также имели усиливая влияние на PLA, водя к смесям с улучшенными механически свойствами и этому усиливая зависимому влияния похоже как на молекулярном весе матрицы полимера. То же самое количество xGnP-1 вело к смесям с более высоким модулем (улучшением до 60% для веса xGnP-1 3%) включано в более высокий PLA молекулярного веса, и не произвело значительно улучшение в случае более низкомолекулярной матрицы веса. Были заподозрены, что была Разницы в рассеивании xGnP-1 в матрицах полимера необходимой причиной для разниц в свойствах смесей. Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) показала разницы в поведении кристаллизации в зависимости от молекулярного веса PLA, но результаты этого классического метода термального анализа не смогли сразу быть отнесены к словотолкованию полимера и к рассеиванию xGnP. Термальные измерения зонда Nano-TA успешно обнаружили разницы в поведении кристаллизации PLA в присутствии к xGnP, в зависимости от молекулярного веса полимера.

Источник: Корреляция Свойства Структуры Био-nanocomposites
Автор: D.G Miloaga, Др. H.A. Hosein, M.J. Богатые люди и Др. L.T Drzal
Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Аппаратуры Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 18:24

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit