Bionanocomposites 的結構和屬性相關性使用納諾熱分析和納諾 TA 的從 Anasys 儀器

包括的事宜

簡介
實驗詳細資料
材料
結果和論述
PLA/xGnP 綜合 (納諾 TA 熱量探測結果) 的結晶
結論

簡介

在聚合物的物理特性 (例如回旋半徑和薄片狀厚度) 和納諾尺寸加強的微粒之間的尺寸相似性導致必要性超出被裝載的系統範圍和詳細測試聚合物微粒交往負責對聚合物 nanocomposites 改進的屬性。 散射是在處理聚合物 nanocomposites 的重要問題,并且有對機械性能的嚴格的影響。 與分相相對 (可能發生,當合併在聚合物的微型尺寸補白) 時,作為補白的範圍在聚合物矩陣減少的,散射和附聚成為將解決的重要問題,當嘗試獲得高性能 nanocomposites 時。

一旦半晶質的聚合物矩陣,作為增強使用的許多 nanoparticles 顯示作為異種 nucleating 的作用者,并且可以使用作為結構和形態學主任。 被剝落的石墨 nanoplatelets (是一個商標 XG Sciences 的 xGnP (TM), Inc.) 顯示了對有核的半晶質的聚合物矩陣例如聚丙烯,和多 (3-hydroxybutyrate),確定在結晶費率的劇烈的變動,聚合物產生的綜合的形態學和屬性。

本研究著重在使用納諾 TA 熱量探測 xGnP (TM) 的 nucleating 的作用的評估的對生物聚合物,多 (L 乳汁酸) 和涉及修改在聚合物的形態學對在綜合的機械性能的上變化。

納諾 TA 熱量探測是結合基本強制顯微學的高空間分辨率想像功能以這個能力獲得對材料熱量工作情況的瞭解與一個空間分辨率的子100nm 的一個局限化的熱分析技術。 常規 AFM 技巧被有一臺嵌入微型加熱器的特殊納諾 TA 熱量探測替換和是由特殊地被設計的納諾 TA 熱量探測硬件和軟件控制的。 AFM 使表面形象化在 nanoscale 解決方法在其定期想像模式下,允許這個用戶選擇空間的地點調查表面的熱量屬性。 這個用戶通過適用熱局部通過探測技巧和評定這種熱機的回應然後得到此信息。 有在應用的文件的幾個示例子100nm LTA 在聚合物和配藥的域。

實驗詳細資料

材料

二個不同分子量多 (L 乳汁酸) 範例用於此研究: RESOMERR L209S 和 RESOMERR L210S。 有被剝落的石墨的 nanoplatelets 1 µm (xGnP-1) 的平均尺寸被生產了得內部。 xGnP 有 ~100 个 m/g 表面2并且包括血小板大約 10 毫微米在厚度和 1 µm 直徑。

與膨脹的石墨 nanoplatelets (PLA/xGnP-1) 的 Polylactic 酸綜合由混合的解決方法準備和壓模。 xGnP-1 裝載變化從 0 wt % 到兩個 PLA 範例的 9 wt % (L209S 和 210S)。

結果和論述

PLA/xGnP 綜合 (DSC 分析) 的結晶: PLA/xGnP-1 綜合的存貯模數,增加隨著相當數量在聚合物矩陣的 xGnP-1 的增加。 Polylactides 是半晶質的聚合物和他們的機械性能,以及他們擔當矩陣綜合的機械性能,預計取決於結晶性和形態學。 使用壓模,因為混合樣準備,從融解的 nonisothermal 結晶分析一個動態處理方法為了闡明在存貯模數觀察的區別。

如圖 1 所顯示,對 PLA L209S, PLA L210S 和他們的與 xGnP-1 的綜合的 DSC 分析表示兩個 PLA 範例結晶工作情況是顯著受 xGnP-1 的影響的。 低相當數量 xGnP-1 (1% 重量) 導致增加的融解結晶溫度,指示 nanoplatelets 的一個 nucleating 的作用,相似與在 polyhydroxybutyrate/xGnP-1 和聚丙烯/xGnP-1 綜合最近觀察的 nucleating 的作用。 對於 1% 重量 xGnP-1,一個清楚的區別在 PLA L209S 和 PLA L210S 之間的圖 1 被觀察了: 對於低分子量的 PLA 範例,雙峰 nonisothermal 結晶曲線被觀察了,可能與導致晶體成長妨礙的散射問題有關。 在融解結晶工作情況上的重大的區別未被觀察在包含相當數量 xGnP-1 的二不同分子量 polylactides 的綜合之間高於 1% 無線電報術雙峰結晶曲線對增加的相當數量在兩個矩陣的 xGnP-1 進一步被觀察了,指示聚合物豐富的地區的血小板和創建的可能的附聚。

圖 1. nonisothermal 結晶的 DSC 分析從 (a) PLA L209S 和 (b) PLA 210S 融解的

DSC 分析 (圖 2.) 表明整潔的 PLA L209S 和 PLA L210S 熔化在 179-180 个 °C。 對於與 xGnP-1 的兩聚合物綜合,雙峰熔化的峰頂被記錄了。 另外的峰頂 (肩膀) 被觀察了在 181-182 在包含 xGnP-1 的範例的 °C。 更高的溫度峰頂歸因於聚合物地區被坑害在石墨 nanoplatelets 之間,減速這個熔化的轉移。 如圖 2 所顯示, DSC 分析也表示整潔的聚合物經過冷結晶,在從室溫的熱化。 冷結晶峰頂溫度被記錄了在 93 - 106 °C 之間,根據加熱速率。 然而, DSC 分析沒有在 xGnP-1 的添加以後檢測冷結晶對二者之一其中一個聚合物矩陣。

圖 2. 顯示冷結晶和熔化 (a) PLA L209S 和 (b) PLA L210S 的 DSC 溫度記錄圖以三不同加熱速率

圖 3 顯示 xGnP-1 的作用的示例對與 nonisothermal 冷卻的 PLA 形成的水晶結構的範圍 L210S 從融解。 整潔的 PLA 形成 spherulitic 結構 20 - 100 直徑 (圖 3a) 的 µm。 0.01% 重量 xGnP-1 的添加導致更小的水晶結構 (圖 3, b) 的形成,而水晶結構使用光學顯微學不是可發現的,當相當數量 xGnP-1 超出了 1 wt %。

圖。 3. 顯示 (a) 純 PLA L210S 的球粒光學微寫器; (b) PLA L210S/0.01% 重量 xGnP-1 和 (c) PLA L210S/5% 重量 xGnP-1

PLA/xGnP 綜合 (納諾 TA 熱量探測結果) 的結晶

PLA/xGnP-1 綜合熔化的工作情況進一步被分析使用納諾 TA 熱量探測為了調查未由 DSC 分析見證 xGnP 的附聚和聚合物分子量之間的可能的連接數。 結果在下面的圖 4 顯示。 對於整潔的 PLA L209S 和 PLA L210S,偏折與溫度曲線是 M 型: 技巧偏折增加在熱化從室溫到近似 80°C,減少,直到技巧溫度到達了大約 100 °C,然後再增加了直到熔化的轉移起始 (Tmo)。 納諾 TA 熱量探測顯示了在另外分子量 PLA 和他們的綜合的熔化的工作情況上的三個主要區別與 xGnP-1 :

  • 記錄的 Tmo 是更低的 (PLA 的 209S ~ 150 °C) 比對於 PLA L210S (~159 °C)。 低溫為 PLA L209S/xGnP-1 綜合的熔化的轉移起始也被記錄了比對於 PLA L210S/xGnP-1 副本。
  • PLA L209S/xGnP-1 綜合的偏折曲線是 M 型,類似於為這個整潔的聚合物記錄的曲線 (圖 4b)。 偏折與 PLA 的 L210S 溫度曲線也是 M 型 (圖 4a),但是偏折線性增量與溫度的為包含 xGnP-1 的 PLA L210S 範例的大部分被記錄了。
  • 對於所有 PLA L209S/xGnP-1 綜合,而更高的偏折為所有 PLA L210S/xGnP-1 綜合被記錄了比對於整潔的 PLA L210S,記錄的偏折低於為整潔的 PLA 評定的偏折 L209S (圖 4b)。

圖 4 納諾 TA 熱量探測為 (a) PLA L210S/xGnP-1 和 (b) 包含不同的金額 (% 重量) xGnP-1 的 PLA L209S/xGnP-1 綜合彎曲

那裡看來是區別的三可能解說在熔化的工作情況上。 首先,在 xGnP-1 散射上的區別在另外分子量二個 PLA 矩陣認為負責對綜合工作情況,當從屬於對 nanoscale 熱分析。 其次,在掃描探測熱分析期間被使用的非常高加熱速率懷疑啟用了聚合物由常規熱分析的鏈子重新整理確定 (DSC) 不是可發現的。 第三,第一個峰頂能是被形成的一塊表面無定形的層。 作為一個單獨研究一部分, (此假說將必須被學習)

xGnP-1 另外散射的可能性在二個分子量 PLA 範例的也是由動態機械分析表示的 (DMA)。 DMA 發生,特別是,指示改善的一個更小的區域在存貯模數的一旦準備的綜合與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區 xGnP-1 成塊。 在被學習的 PLA/xGnP-1 系統,更多統一水晶結構將導致納諾 TA 熱量探測技巧遇到聚合物球粒而不是地區 xGnP-1 成塊的更高的概率。 技巧偏折將預計是高為聚合物豐富的地區。

納諾 TA 熱量探測是一個表面技術,根本與 DSC 不同,是一個批量描述特性方法。 除此重要區別以外,二個技術使用的加熱速率較大不同。 調查熔化和結晶的 DSC 運行執行以 3 个 °C/min 的熱化冷卻速度,而在納諾 TA 熱量探測實驗期間這個技巧是被加熱的非常快速的 (600 个 °C/min)。 此區別也許佔納諾 TA 熱量探測的能力檢測聚合物不是明顯的在更加大容量的範例被加熱以更加緩慢的費率在 DSC 實驗期間在範例表面的重新組織現象。

除從融解的結晶之外, PLA 經過冷結晶,在從室溫的熱化。 对用於此研究的整潔的 PLA 範例,冷結晶在玻璃轉化溫度上發生了 (59-61 °C) 和在熔化的轉變溫度 (179 °C) (圖 2) 下。 圖 2 也向顯示冷結晶的區域取決於 PLA L209S 和 PLA 的 L210S 加熱速率。 對於兩個聚合物,溫度冷結晶起始和冷結晶峰頂的溫度為更高的加熱速率是高。

當進一步研究將需要完成確認此 (如前面提到) 時,作者相信納諾 TA 熱量探測完全檢測 PLA 的冷結晶在 xGnP-1 面前的和認為負責對偏折的 M 形狀與溫度曲線。 其他半晶質的聚合物都我們使用了納諾 TA 熱量探測 (以同樣加熱速率) - PHB, PE,頁,尼龍 - 沒有顯示這樣雙峰工作情況和 PLA 是已知的只那個經過冷結晶

結論

有被剝落的石墨的 nanoplatelets 一條平均直徑 1 µm (xGnP-1) 顯示了對有核的 PLA,影響冷結晶和結晶從這個聚合物的融解。 他們也有對 PLA 的加強的作用,導致與改進的機械性能的綜合,并且此加強的作用看來依靠聚合物矩陣的分子量。 相同數量 xGnP-1 導致了與更高的模數 (3% 重量的 xGnP-1) 60% 改善的綜合,當合併到更高的分子量 PLA 裡和沒有生成重大的改善一旦一個更加低分子的重量矩陣。 在 xGnP-1 散射上的區別在聚合物矩陣的懷疑是區別的重要原因在綜合的屬性上。 差別掃描量熱計 (DSC)根據 PLA 分子量顯示了在結晶工作情況上的區別,但是此古典熱分析方法的結果不可能直接地與聚合物的形態學和與 xGnP 有關散射。 納諾 TA 熱量探針測量在 xGnP 面前順利地檢測了在 PLA 結晶工作情況上的區別,根據這個聚合物的分子量。

來源: 結構屬性相關性生物nanocomposites
作者: D.G. Miloaga, L.T Drzal 博士博士 H.A. Hosein, M.J. Rich 和
關於此來源的更多信息请請參觀 Anasys 儀器

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

Last Update: 13. June 2013 17:38

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