Bionanocomposites 的结构和属性相关性使用纳诺热分析和纳诺 TA 的从 Anasys 仪器

包括的事宜

简介
实验详细资料
材料
结果和论述
PLA/xGnP 综合 (纳诺 TA 热量探测结果) 的结晶
结论

简介

在聚合物的物理特性 (例如回旋半径和薄片状厚度) 和纳诺尺寸加强的微粒之间的尺寸相似性导致必要性超出被装载的系统范围和详细测试聚合物微粒交往负责对聚合物 nanocomposites 改进的属性。 散射是在处理聚合物 nanocomposites 的重要问题,并且有对机械性能的严格的影响。 与分相相对 (可能发生,当合并在聚合物的微型尺寸补白) 时,作为补白的范围在聚合物矩阵减少的,散射和附聚成为将解决的重要问题,当尝试获得高性能 nanocomposites 时。

一旦半晶质的聚合物矩阵,作为增强使用的许多 nanoparticles 显示作为异种 nucleating 的作用者,并且可以使用作为结构和形态学主任。 被剥落的石墨 nanoplatelets (是一个商标 XG Sciences 的 xGnP (TM), Inc.) 显示了对有核的半晶质的聚合物矩阵例如聚丙烯,和多 (3-hydroxybutyrate),确定在结晶费率的剧烈的变动,聚合物产生的综合的形态学和属性。

本研究着重在使用纳诺 TA 热量探测 xGnP (TM) 的 nucleating 的作用的评估的对生物聚合物,多 (L 乳汁酸) 和涉及修改在聚合物的形态学对在综合的机械性能的上变化。

纳诺 TA 热量探测是结合基本强制显微学的高空间分辨率想象功能以这个能力获得对材料热量工作情况的了解与一个空间分辨率的子100nm 的一个局限化的热分析技术。 常规 AFM 技巧被有一台嵌入微型加热器的特殊纳诺 TA 热量探测替换和是由特殊地被设计的纳诺 TA 热量探测硬件和软件控制的。 AFM 使表面形象化在 nanoscale 解决方法在其定期想象模式下,允许这个用户选择空间的地点调查表面的热量属性。 这个用户通过适用热局部通过探测技巧和评定这种热机的回应然后得到此信息。 有在应用的文件的几个示例子100nm LTA 在聚合物和配药的域。

实验详细资料

材料

二个不同分子量多 (L 乳汁酸) 范例用于此研究: RESOMERR L209S 和 RESOMERR L210S。 有被剥落的石墨的 nanoplatelets 1 µm (xGnP-1) 的平均尺寸被生产了得内部。 xGnP 有 ~100 个 m/g 表面2并且包括血小板大约 10 毫微米在厚度和 1 µm 直径。

与膨胀的石墨 nanoplatelets (PLA/xGnP-1) 的 Polylactic 酸综合由混合的解决方法准备和压模。 xGnP-1 装载变化从 0 wt % 到两个 PLA 范例的 9 wt % (L209S 和 210S)。

结果和论述

PLA/xGnP 综合 (DSC 分析) 的结晶: PLA/xGnP-1 综合的存贮模数,增加随着相当数量在聚合物矩阵的 xGnP-1 的增加。 Polylactides 是半晶质的聚合物和他们的机械性能,以及他们担当矩阵综合的机械性能,预计取决于结晶性和形态学。 使用压模,因为混合样准备,从融解的 nonisothermal 结晶分析一个动态处理方法为了阐明在存贮模数观察的区别。

如图 1 所显示,对 PLA L209S, PLA L210S 和他们的与 xGnP-1 的综合的 DSC 分析表示两个 PLA 范例结晶工作情况是显著受 xGnP-1 的影响的。 低相当数量 xGnP-1 (1% 重量) 导致增加的融解结晶温度,指示 nanoplatelets 的一个 nucleating 的作用,相似与在 polyhydroxybutyrate/xGnP-1 和聚丙烯/xGnP-1 综合最近观察的 nucleating 的作用。 对于 1% 重量 xGnP-1,一个清楚的区别在 PLA L209S 和 PLA L210S 之间的图 1 被观察了: 对于低分子量的 PLA 范例,双峰 nonisothermal 结晶曲线被观察了,可能与导致晶体成长妨碍的散射问题有关。 在融解结晶工作情况上的重大的区别未被观察在包含相当数量 xGnP-1 的二不同分子量 polylactides 的综合之间高于 1% 无线电报术双峰结晶曲线对增加的相当数量在两个矩阵的 xGnP-1 进一步被观察了,指示聚合物丰富的地区的血小板和创建的可能的附聚。

图 1. nonisothermal 结晶的 DSC 分析从 (a) PLA L209S 和 (b) PLA 210S 融解的

DSC 分析 (图 2.) 表明整洁的 PLA L209S 和 PLA L210S 熔化在 179-180 个 °C。 对于与 xGnP-1 的两聚合物综合,双峰熔化的峰顶被记录了。 另外的峰顶 (肩膀) 被观察了在 181-182 在包含 xGnP-1 的范例的 °C。 更高的温度峰顶归因于聚合物地区被坑害在石墨 nanoplatelets 之间,减速这个熔化的转移。 如图 2 所显示, DSC 分析也表示整洁的聚合物经过冷结晶,在从室温的热化。 冷结晶峰顶温度被记录了在 93 - 106 °C 之间,根据加热速率。 然而, DSC 分析没有在 xGnP-1 的添加以后检测冷结晶对二者之一其中一个聚合物矩阵。

图 2. 显示冷结晶和熔化 (a) PLA L209S 和 (b) PLA L210S 的 DSC 温度记录图以三不同加热速率

图 3 显示 xGnP-1 的作用的示例对与 nonisothermal 冷却的 PLA 形成的水晶结构的范围 L210S 从融解。 整洁的 PLA 形成 spherulitic 结构 20 - 100 直径 (图 3a) 的 µm。 0.01% 重量 xGnP-1 的添加导致更小的水晶结构 (图 3, b) 的形成,而水晶结构使用光学显微学不是可发现的,当相当数量 xGnP-1 超出了 1 wt %。

图。 3. 显示 (a) 纯 PLA L210S 的球粒光学微写器; (b) PLA L210S/0.01% 重量 xGnP-1 和 (c) PLA L210S/5% 重量 xGnP-1

PLA/xGnP 综合 (纳诺 TA 热量探测结果) 的结晶

PLA/xGnP-1 综合熔化的工作情况进一步被分析使用纳诺 TA 热量探测为了调查未由 DSC 分析见证 xGnP 的附聚和聚合物分子量之间的可能的连接数。 结果在下面的图 4 显示。 对于整洁的 PLA L209S 和 PLA L210S,偏折与温度曲线是 M 型: 技巧偏折增加在热化从室温到近似 80°C,减少,直到技巧温度到达了大约 100 °C,然后再增加了直到熔化的转移起始 (Tmo)。 纳诺 TA 热量探测显示了在另外分子量 PLA 和他们的综合的熔化的工作情况上的三个主要区别与 xGnP-1 :

  • 记录的 Tmo 是更低的 (PLA 的 209S ~ 150 °C) 比对于 PLA L210S (~159 °C)。 低温为 PLA L209S/xGnP-1 综合的熔化的转移起始也被记录了比对于 PLA L210S/xGnP-1 副本。
  • PLA L209S/xGnP-1 综合的偏折曲线是 M 型,类似于为这个整洁的聚合物记录的曲线 (图 4b)。 偏折与 PLA 的 L210S 温度曲线也是 M 型 (图 4a),但是偏折线性增量与温度的为包含 xGnP-1 的 PLA L210S 范例的大部分被记录了。
  • 对于所有 PLA L209S/xGnP-1 综合,而更高的偏折为所有 PLA L210S/xGnP-1 综合被记录了比对于整洁的 PLA L210S,记录的偏折低于为整洁的 PLA 评定的偏折 L209S (图 4b)。

图 4 纳诺 TA 热量探测为 (a) PLA L210S/xGnP-1 和 (b) 包含不同的金额 (% 重量) xGnP-1 的 PLA L209S/xGnP-1 综合弯曲

那里看来是区别的三可能解说在熔化的工作情况上。 首先,在 xGnP-1 散射上的区别在另外分子量二个 PLA 矩阵认为负责对综合工作情况,当从属于对 nanoscale 热分析。 其次,在扫描探测热分析期间被使用的非常高加热速率怀疑启用了聚合物由常规热分析的链子重新整理确定 (DSC) 不是可发现的。 第三,第一个峰顶能是被形成的一块表面无定形的层。 作为一个单独研究一部分, (此假说将必须被学习)

xGnP-1 另外散射的可能性在二个分子量 PLA 范例的也是由动态机械分析表示的 (DMA)。 DMA 发生,特别是,指示改善的一个更小的区域在存贮模数的一旦准备的综合与更加低分子的重量聚合物。 是可能的 xGnP-1 在 PLA L210S 更好分散了,由 nanoplatelets 是更好有核的,生成更多聚合物晶子和少量地区 xGnP-1 成块。 在被学习的 PLA/xGnP-1 系统,更多统一水晶结构将导致纳诺 TA 热量探测技巧遇到聚合物球粒而不是地区 xGnP-1 成块的更高的概率。 技巧偏折将预计是高为聚合物丰富的地区。

纳诺 TA 热量探测是一个表面技术,根本与 DSC 不同,是一个批量描述特性方法。 除此重要区别以外,二个技术使用的加热速率较大不同。 调查熔化和结晶的 DSC 运行执行以 3 个 °C/min 的热化冷却速度,而在纳诺 TA 热量探测实验期间这个技巧是被加热的非常快速的 (600 个 °C/min)。 此区别也许占纳诺 TA 热量探测的能力检测聚合物不是明显的在更加大容量的范例被加热以更加缓慢的费率在 DSC 实验期间在范例表面的重新组织现象。

除从融解的结晶之外, PLA 经过冷结晶,在从室温的热化。 对用于此研究的整洁的 PLA 范例,冷结晶在玻璃转化温度上发生了 (59-61 °C) 和在熔化的转变温度 (179 °C) (图 2) 下。 图 2 也向显示冷结晶的区域取决于 PLA L209S 和 PLA 的 L210S 加热速率。 对于两个聚合物,温度冷结晶起始和冷结晶峰顶的温度为更高的加热速率是高。

当进一步研究将需要完成确认此 (如前面提到) 时,作者相信纳诺 TA 热量探测完全检测 PLA 的冷结晶在 xGnP-1 面前的和认为负责对偏折的 M 形状与温度曲线。 其他半晶质的聚合物都我们使用了纳诺 TA 热量探测 (以同样加热速率) - PHB, PE,页,尼龙 - 没有显示这样双峰工作情况和 PLA 是已知的只那个经过冷结晶

结论

有被剥落的石墨的 nanoplatelets 一条平均直径 1 µm (xGnP-1) 显示了对有核的 PLA,影响冷结晶和结晶从这个聚合物的融解。 他们也有对 PLA 的加强的作用,导致与改进的机械性能的综合,并且此加强的作用看来依靠聚合物矩阵的分子量。 相同数量 xGnP-1 导致了与更高的模数 (3% 重量的 xGnP-1) 60% 改善的综合,当合并到更高的分子量 PLA 里和没有生成重大的改善一旦一个更加低分子的重量矩阵。 在 xGnP-1 散射上的区别在聚合物矩阵的怀疑是区别的重要原因在综合的属性上。 差别扫描量热计 (DSC)根据 PLA 分子量显示了在结晶工作情况上的区别,但是此古典热分析方法的结果不可能直接地与聚合物的形态学和与 xGnP 有关散射。 纳诺 TA 热量探针测量在 xGnP 面前顺利地检测了在 PLA 结晶工作情况上的区别,根据这个聚合物的分子量。

来源: 结构属性相关性生物nanocomposites
作者: D.G. Miloaga, L.T Drzal 博士博士 H.A. Hosein, M.J. Rich 和
关于此来源的更多信息请参观 Anasys 仪器

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

Last Update: 13. June 2013 17:34

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