Sifat mekanis dari polietilena / karbon komposit nanotube kepadatan tinggi

abstrak

Carbon-nanotube (CNT) telah digunakan dengan polimer sejak waktu awal mereka untuk membuat komposit memiliki sifat yang luar biasa. Sebuah usaha telah dilakukan ke arah ini, dalam rangka meningkatkan sifat mekanik dan tribological dari bahan komposit. Yang terakhir, yang dicapai melalui pencetakan injeksi polietilen densitas tinggi (HDPE) diperkuat dengan fraksi volume spesifik CNT. Sebuah peningkatan yang cukup besar pada sifat mekanik material dapat diamati ketika fraksi volume CNT meningkat. Komposit penguatan menunjukkan efek transfer beban yang baik dan hubungan antarmuka antara CNT dan HDPE. Tingkat pakai volumetrik dihitung dari model Wang, korelasi Ratner dan timbal balik ketangguhan. Hasil yang diperoleh jelas menunjukkan hubungan linear dengan CNT pembebanan yang mendukung model memakai mikroskopis. Dapat disimpulkan bahwa kedua Halpin-Tsai dan seri model dimodifikasi dapat digunakan untuk memprediksi modulus Young komposit CNT-HDPE. Dari studi analisis termal, ditemukan bahwa titik leleh dan suhu oksidasi komposit tidak terpengaruh oleh penambahan CNT, namun kristalinitasnya tampaknya meningkat.

Kata kunci: A. komposit partikel-diperkuat, B. Teknik properti; D. Diferensial kalorimetri pemindaian, E. Injection molding

1. pengantar

Karena kertas tengara oleh Iijima pada tahun 1991 [1], CNT telah menghasilkan kegiatan besar di sebagian besar wilayah ilmu pengetahuan dan rekayasa karena sifat luar biasa mereka. Yang terakhir ini juga menyoroti potensi mereka dalam produksi komposit canggih dengan minat yang besar untuk beberapa aplikasi. Yang menjanjikan wilayah penelitian komposit melibatkan peningkatan sifat mekanik polimer menggunakan CNT sebagai bahan penguat. Meskipun beberapa studi telah difokuskan pada memproduksi nano-komposit, banyak tantangan praktis tentang fabrikasi mereka masih tetap, mengorbankan realisasi penuh potensi besar mereka. Dispersing nanotube individual dan seragam ke dalam matriks polimer tampaknya menjadi dasar ketika memproduksi komposit dengan sifat ditingkatkan dan direproduksi. Oleh karena itu, untuk penelitian ini, HDPE dipilih karena dikenal kimia yang sangat baik dan sifat mekanik. Untuk memanfaatkan dan meningkatkan sifat HDPE, terutama untuk meningkatkan kekakuan, ketahanan aus dan kekakuan, komposit CNT-HDPE dipersiapkan dan efek CNT pembebanan terhadap sifat mekanik diselidiki. Sebagai modulus dan ketangguhan adalah sifat yang paling dipengaruhi oleh kristalinitas, analisis termal komposit juga dilakukan.

2 . Tinjau

Karena kesulitan yang berhubungan dengan fabrikasi CNT komposit , literatur melaporkan beberapa teknik untuk mencapai distribusi homogen CNT menjadi matriks polimer . Teknik tersebut meliputi: pengadukan konstan [ 2 ]; surfaktan - dibantu pengolahan [ 3 ]; metode solusi - penguapan dengan sonikasi energi tinggi [ 4 ] , dan fungsionalisasi kovalen dari nanotube dengan polimer matriks [ 5 ] . Gong dkk . [ 6 ] melaporkan peran surfaktan sebagai bantuan

dalam CNT - polimer komposit pengolahan dan menemukan pengaruh yang sangat besar terhadap sifat mekanik dan termal komposit . Ji et al . [ 7 ] telah membahas kesulitan yang diperoleh untuk mendapatkan dispersi seragam CNT dalam matriks polimer . Zou et al . [ 8 ] menemukan bahwa komposit HDPE / CNT dibuat dengan kecepatan yang lebih tinggi memberikan sekrup dispersi seragam CNT di HDPE . Thostenson dan Chou [ 9 ] mempelajari sifat mekanik selaras dan acak berorientasi nano - komposit menggunakan DMA dan mengamati perbaikan pada modulus Young dengan penambahan CNTs.Moreover , dalam komposit selaras , modulus Young dapat diamati lima kali lebih besar dari acak komposit berorientasi . Gorga dan Cohen [ 10 ] ditemukan bahwa selain dispersi baik CNT dalam polimer , orientasi mereka dan sebuah antarmuka antara CNT dan polimer juga memainkan peran penting untuk meningkatkan sifat mekanik komposit . Edidin dan Kurtz [ 11 ] menunjukkan bahwa ketangguhan bahan sangat berkorelasi dengan ketahanan aus polimer . Cadek et al . [ 12 ] mempelajari sifat mekanik dan termal polimer amorf dan kristal dengan MWCNT dan peningkatan yang signifikan diamati dalam sifat mereka . Tang et al . [ 13 ] digunakan meleleh teknik pengolahan untuk membuat Mwnt / HDPE film komposit dan mengamati peningkatan sifat mekanik . Gorga et al . [ 14 ] disiapkan komposit MWCNT - PMMA menggunakan meleleh pencampuran dan meleleh metode menggambar dan belajar mereka sifat mekanik sebagai fungsi konsentrasi CNT dan perlakuan permukaan pada CNT . Coleman et al . Mengkaji kemajuan yang dibuat selama penguatan komposit menggunakan CNT [ 15 ] .

3. Teknik eksperimental

3.1. Bahan

MWCNTs yang dibeli dari M / s Shenzhen Nanotech Pelabuhan Co, Ltd, Cina. Gambar. 1 menunjukkan gambar SEM CNT sebagai diterima. Spesifikasi MWCNTs adalah sebagai berikut: rentang diameter 60-100 nm, panjang tabung 5-15 lm, dan purityP95%. Kepadatan MWCNT 2.16 g/cm3. Palet HDPE diperoleh Fromm / s The Dow Chemical Company, Portugal dan kelas mereka adalah HDPE KT 10000. Lelehan indeks dan kepadatan palet HDPE adalah 8 g/10 menit dan 0,964 g / cm3, masing-masing.

3.2. Pengobatan kimia pada CNT

Pemanfaatan yang efektif dari nanotube dalam komposit tergantung pada kemampuan untuk membubarkan CNT homogen seluruh matriks tanpa merusak integritas mereka. Juga, sebelum pencampuran CNT dengan matriks, diperlukan untuk melakukan pengobatan kimia pada CNT, karena ikatan permukaan yang lebih baik antara CNT dan polimer dan juga peningkatan transfer beban, diyakini terjadi. Perlakuan kimia pada CNT dilakukan seperti yang disarankan oleh Esumi et al. [16]. Yang diperlukan sampel CNT ditangguhkan dalam campuran asam nitrat pekat (65%) dan asam sulfat (95-97%) dengan rasio volume 1:3 dan direfluks pada 140? C selama 30 menit. Setelah mencuci nanotube dengan air deionisasi sampai supernatan mencapai pH sekitar 7, sampel dikeringkan pada 100? C. Dengan demikian, sampel diolah secara kimia diperoleh. CNT diolah secara kimia dibentuk dengan kelompok-kelompok fungsional yang berbeda seperti karboksil, karbonil, hidroksil dan lain-lain. SEM gambar dari tabung dirawat ditunjukkan pada Gambar. 2.

3.3. Persiapan nanofluida

CNT diolah secara kimia ditambahkan dengan air deionisasi dan disonikasi selama 1 jam untuk memiliki dispersi homogen dan seragam CNT dalam air. Stabilitas koloid nanofluid diuji menggunakan spektrofotometer UV dan stabilitas yang baik dari waktu ke waktu diamati.

3.4 . Persiapan CNT - HDPE palet

The nanofluid , yang telah dipersiapkan dengan kuantitas yang dibutuhkan CNT , dicampur dengan palet HDPE . Campuran ini dipanaskan dan diaduk magnetis terus menerus untuk memiliki lapisan yang sama pada palet HDPE . Setelah cairan diuapkan , palet ini disimpan dalam oven selama 24 jam pada 110 ? C untuk menguapkan kelembaban tambahan hadir pada palet dilapisi CNT .

3.5 . Persiapan spesimen tarik

CNT dilapisi palet HDPE digunakan sebagai bahan baku dalam mesin injection molding . HDPE meleleh di unit plasticized dari mesin injection molding yang disimpan pada 200 ? C untuk

menginduksi pelunakan cukup polimer untuk bergaul dengan CNT dan campuran ini disuntikkan ke dalam spesimen tarik . Sampel uji diperoleh untuk fraksi yang berbeda volume CNT dalam komposit : 0,11 % , 0,22 % , 0,33 % dan 0,44 % . Uji spesimen memiliki bentuk dasar tulang anjing tarik , 100 mm , dengan bagian tengah 10 mm lebar 2 mm tebal dan panjang 50 mm .

3.6 . Analisis termal komposit

Literatur menyoroti kristalinitas sebagai memiliki pengaruh relatif terhadap sifat mekanik komposit , sehingga analisis termal dari sampel CNT - HDPE dilakukan dengan menggunakan DSC dan TGA .

3.7 . Uji tarik dari sampel

Uji tarik dari spesimen dilakukan dengan Shimadzu Universal Testing Machine Model AG - 50kNG ( M / s Shimadzu , Kyoto , Jepang ) . The modulus elastisitas , kekuatan utama , ketangguhan , regangan pada fraktur , tingkat keausan dan persentase mereka selisih dengan penambahan CNT diperoleh . Pengujian dilakukan pada kecepatan lintas kepala 50 mm / menit pada suhu kamar . Mikrograf dari bagian leher dan permukaan retak dari sampel yang diuji ditunjukkan pada Gambar . 3 dan 4 , masing-masing.

4 . Hasil dan diskusi

Gambar . 5 menunjukkan kurva tegangan vs regangan untuk komposit CNT - HDPE untuk berbagai CNT Volume fraksi . Hal ini dapat diamati bahwa sampel komposit cenderung untuk mencapai

titik luluh atas , yaitu stres utama dan menarik melalui leher di mana sampel meluas elastis dan mencapai titik rendah hasil dan kemudian menarik sampai rusak . Tabel 1 memberikan pandangan keseluruhan sifat mekanik nanocomposites , yaitu modulus elastisitas , kekuatan utama , ketangguhan , regangan pada fraktur , tingkat keausan dan persentase mereka selisih dengan penambahan CNT . Dalam setiap kasus , minimal

dari tiga sampel diuji dan nilai-nilai tabulasi adalah rata-rata hasil ini . Hal ini juga dapat diamati bahwa sifat mekanik menunjukkan peningkatan yang baik dengan peningkatan konsentrasi CNT , yang diyakini karena antarmuka yang baik antara polimer dan CNT sehingga mentransfer beban dari polimer CNT .

Persentase kenaikan modulus Young mulai dari 6,7% menjadi 22,2% dengan peningkatan konsentrasi CNT dan peningkatannya diperkirakan mencapai 100% pada fraksi volume sekitar 2% dari CNT. Peningkatan kekuatan utama dari komposit adalah dalam 4% dibandingkan dengan HDPE tanpa penambahan CNT dan mencapai dalam

2% dari regangan patah tulang. Dalam kasus regangan pada fraktur, itu meningkat secara linear dari 863% menjadi 1.069%. Persentase peningkatan ketegangan mulai dari sekitar 10% sampai 24% dengan penambahan CNT. Selain itu, pembentukan leher sampel komposit mulai terjadi antara 2% dan 3% dari regangan patah tulang. Hal ini diikuti oleh daerah dataran tinggi sampai titik melanggar nya yang karena regangan kristalisasi diinduksi polimer yang dihasilkan

menjadi bahan pengerasan. Dalam kasus ketangguhan, itu dihitung dari luas area di bawah kurva beban terhadap stroke. Ini juga meningkat secara linear dengan penambahan CNT.

Dengan peningkatan konsentrasi CNT di HDPE, kekakuan komposit meningkat lumayan karena dapat digambarkan dari Gambar. 6. Yang terakhir ini diyakini terjadi karena fakta bahwa CNT cenderung memiliki permukaan yang lebih luas per satuan volume yang menghasilkan transfer beban baik untuk jaringan nanotube. Hal ini ditemukan bahwa persamaan polinomial memberikan hubungan yang baik antara kekakuan (GPa) dan fraksi volume CNT (%) yang diberikan oleh Persamaan. (1)

E = 1.09464 + 0.67723V CNT - 0.28276V 2 CNT

4.1. Prediksi teoritis modulus elastisitasMeskipun banyak pekerjaan teoritis telah dilakukan untuk memprediksi sifat mekanik komposit diperkuat serat [17], beberapa model yang cukup canggih digunakan untuk nano-komposit. Di sini, bentuk modifikasi dari aturan campuran dan persamaan Halphin-Tsai digunakan untuk memprediksi modulus Young komposit CNT-HDPE karena mereka menggunakan kedua fraksi volume dan rasio aspek CNT untuk memprediksi kekakuan komposit. Dalam kasus aturan campuran, diasumsikan bahwa kedua CNT dan HDPE sangat baik terikat, sama-sama tegang dan CNT homogen didistribusikan di dalam HDPE. Modulus Young dari CNT dan HDPE adalah 910 GPa [18] dan 1,0935 GPa, yang diperoleh dari studi ini, masing-masing. Dalam kasus CNT-HDPE komposit, dianggap sebagai berorientasi secara acak susunan serat pendek. Berdasarkan bentuk modifikasi dari aturan campuran untuk model seri [15,19], modulus komposit diberikan oleh

Model lain direview oleh Halpin dan Kardos [20] yang didasarkan pada metode micromechanics konsisten diri dan itu diberikan oleh

Persamaan di atas diperoleh untuk komposit berorientasi secara acak. Perbandingan nilai eksperimental dan teoritis kekakuan ditunjukkan pada Gambar. 6, di mana peningkatan linier dari modulus dengan fraksi volume CNT diamati. Perbandingan antara eksperimental dan model yang HT memberikan kesepakatan dekat dalam waktu 2% yang menunjukkan bahwa asumsi yang dibuat untuk memperoleh persamaan tersebut erat setuju dengan kondisi eksperimental, seperti beban tarik berhasil ditransmisikan ke nanotube seluruh antarmuka CNT-HDPE. Dalam kasus persamaan seri dimodifikasi, hasil eksperimen erat mengikuti nilai prediksi dalam kesalahan relatif maksimum 4%. Namun, kesalahan relatif meningkat dengan konsentrasi CNT tapi juga dalam batas yang menyenangkan. Dengan demikian, disarankan bahwa model Halphin-Tsai dan seri model dimodifikasi dapat digunakan untuk memprediksi modulus Young komposit CNT-HDPE. Dalam kedua kasus, nilai optimum dari aspek rasio yang digunakan adalah 86, yang diperoleh dari Model HT. Padahal, panjang CNT yang digunakan dalam penelitian ini bervariasi dari 5 sampai 15 lm, dan diyakini akan berubah karena perlakuan kimia, ultrasonication dan juga selama pencampuran dengan polimer. Sebuah peningkatan linier modulus dengan fraksi volume, seperti ditunjukkan pada Gambar. 6, menunjukkan bahwa ukuran baik penguatan diberikan oleh DEC / dVCNT [15] pada fraksi volume rendah. Ini memperhitungkan baik besarnya peningkatan kekakuan dan jumlah CNT yang diperlukan untuk mencapainya, yang

bisa digali dari data eksperimen. Istilah DEC / dVCNT digunakan untuk mewakili besarnya efek penguatan. Dalam kasus aturan campuran, efek penguatan diberikan oleh

dan ukuran penguatan adalah 60,87 GPa, 61.00 GPa, 61,10 GPa dan 61,21 GPa untuk fraksi volume CNT sebesar 0,11%, 0,22%, 0,33% dan 0,44%, masing-masing pada aspek rasio 86. Ukuran penguatan meningkat dengan peningkatan konsentrasi CNT, yang menunjukkan bahwa ada efek transfer beban yang baik dan link antarmuka antara CNT dan HDPE. Dari hasil Ruan et al. [21], ukuran penguatan untuk CNT-HDPE komposit pada 1% berat datang sekitar 57 GPa yang memiliki kesepakatan yang sangat dekat dengan hasil yang diperoleh dalam penelitian ini.4.2. Prediksi teoritis dari laju keausan volumetrikDari model berikut, teramati bahwa ketangguhan material adalah properti yang paling penting untuk menentukan tingkat keausan volumetrik. Yang terakhir, dapat diamati menurun dengan meningkatnya produk kekuatan tarik utama dan ketegangan melanggar.

dimana DV - volumetrik tingkat keausan (mm3 per juta siklus), ru - kekuatan tarik utama (MPa) dan eu - perpanjangan fraktur tarik dari sampel uji. Dalam kasus variabel eksperimental untuk menghitung laju keausan volumetrik, model Wang dan korelasi Ratner yang baik menekankan pentingnya kekuatan tertinggi dan regangan pada fraktur tarik. Properti ini meningkat dengan penambahan CNT dalam komposit polimer. Dengan demikian, tingkat keausan volumetrik menurun dengan penambahan CNT. Hal ini juga dapat diamati bahwa memakai tingkat volume dan kebalikan dari ketangguhan menunjukkan hubungan linear yang sangat baik yang mendukung prediksi teoritis dari model memakai mikroskopis [22]. Tabel 1 menunjukkan kebalikan dari ketangguhan dan faktor perkalian variabel yang dihitung dari hasil eksperimen. Persyaratan untuk penguatan mekanik dalam nano-komposit adalah rasio optimal aspek, dispersi yang baik, penyelarasan CNT dan mentransfer tegangan permukaan antara CNT dan polimer. Pengaruh rasio aspek modulus Young dibahas pada bagian sebelumnya dengan mengacu ke model HT dan seri model dimodifikasi. Jika rasio aspek tinggi, modulus Young juga akan tinggi. Dalam kasus dispersi homogen, nanotube harus seragam tersebar ke tingkat nanotube terisolasi secara individual dilapisi dengan polimer yang memiliki transfer beban yang efisien untuk jaringan CNT dan menghasilkan distribusi tegangan lebih seragam dan meminimalkan konsentrasi tegangan daerah. Jika ada aglomerasi CNT terjadi dalam polimer, itu mengarah pada penurunan kekuatan dan modulus komposit. Dalam kasus alignment, perbedaan antara orientasi acak dan keselarasan yang sempurna merupakan faktor dari lima modulus komposit [9]. Namun, komposit menjadi bahan anisotropik yang tidak menguntungkan dalam kasus bahan massal. Dalam hal transfer tegangan permukaan, tekanan eksternal diterapkan pada komposit secara efisien ditransfer ke nanotube, yang memungkinkan mereka untuk mengambil bagian yang tidak proporsional dari beban menghasilkan kinerja tinggi dalam komposit. Di beberapa titik stres, baik matriks di sekitar antarmuka atau ikatan antarmuka antara CNT dan matriks akan pecah. Stres ini disebut sebagai antarmuka stres yang mengatur pemindahan tekanan maksimum untuk CNT

4.3. Analisis termal kompositSebagai kristalinitas komposit polimer memiliki pengaruh pada modulus dan ketangguhan Young, diputuskan untuk mempelajari analisis termal dari komposit, yaitu DSC dan TGA. Dalam kasus DSC kurva yang ditunjukkan pada Gambar. 7, penambahan CNT di HDPE meningkatkan jumlah entalpi kristalisasi. Titik leleh komposit terjadi sekitar 137? C menunjukkan tingkat kristalinitas polimer di semua komposit. Penguatan CNT di HDPE tidak terpengaruh titik leleh komposit. Entalpi kristalisasi 105.12 J / g, 110,33 J / g, 113.69 J / g, dan 167,38 J / g untuk 0.00%, 0,11%, 0,22% dan 0,44% fraksi volume CNT,

masing-masing di mana 100% murni kristal polimer HDPE memberikan entalpi 293 J / g, dari literatur. Nukleasi dan pertumbuhan kristalit individu begitu cepat sehingga jumlah yang sangat besar kristalit terbentuk bersama-sama dengan demikian jumlah besar panas dibebaskan selama kristalisasi HDPE dengan menambahkan CNT. Hal ini diamati bahwa kristalinitas komposit meningkat lumayan dengan penambahan CNT. Hal ini menunjukkan bahwa CNT bertindak sebagai nukleasi untuk kristalisasi polimer yang ini juga didukung oleh Coleman et al. [23] dan Assouline et al. [24]. Peningkatan yang cukup kristalinitas polimer menunjukkan bahwa permukaan CNT memiliki lapisan polimer kristal dengan ketebalan rata-rata yang konstan untuk setiap nanotube yang menunjukkan bahwa semua sampel yang digunakan dalam penelitian ini memiliki antarmuka polimer-nanotube serupa. Nanotube tidak hanya kristalisasi polimer nukleasi, tetapi juga bisa digunakan untuk menyebarkan kristalisasi untuk jarak yang besar dari permukaan mereka. Hal ini menunjukkan bahwa nanotube berinteraksi dengan permukaan polimer kristal pada antarmuka. Sebuah antarmuka memerintahkan akan mengakibatkan lapisan polimer hampir lengkap dan dengan demikian total energi ikat polimer-nanotube akan dimaksimalkan yang menghasilkan maksimalisasi transfer tegangan permukaan. Coleman et al. [23] menyarankan bahwa kehadiran antarmuka kristalinitas memiliki pengaruh besar pada sifat mekanik nano-komposit. Dapat dicatat bahwa perbedaan kecil dalam pengukuran penguatan mungkin berhubungan dengan keberadaan antarmuka kristal yang menunjukkan kemungkinan bahwa pengalihan stres dapat dimaksimalkan dengan adanya antarmuka diperintahkan seperti yang disarankan oleh Frankland et al. [25]. Mereka juga menyarankan bahwa transfer beban dan karenanya modulus komposit polimer-nanotube dapat efektif meningkat sengaja menambahkan ikatan kimia antara nanotube dan polimer selama pemrosesan yang sebagian bertanggung jawab untuk transfer stres ditingkatkan. Coleman et al. [15] menyimpulkan bahwa tabung dimodifikasi secara kimia menunjukkan hasil terbaik, yang disebabkan oleh fakta bahwa fungsionalisasi signifikan meningkatkan baik dispersi CNT dalam polimer dan dengan demikian mentransfer stres. Dalam kasus kurva TGA yang ditunjukkan pada Gambar. 8, stabilisasi termal komposit CNT-HDPE dan fraksi komponen volatil diamati dengan suasana udara. Hal ini mengamati bahwa suhu timbulnya komposit ini adalah 395? C, 355? C, 327? C dan 316? C murni HDPE, 0,11%, 0,22% dan 0,44% CNT, masing-masing. Hal ini diamati bahwa temperatur onset menurun dengan penambahan diolah secara kimia CNT karena karbon amorf hadir dalam CNT dan kotoran karbon lainnya yang mengoksidasi pada suhu lebih rendah dari CNT. Suhu oksidasi komposit, stabilitas termal dari komposit, ditemukan dengan membedakan persentase penurunan berat

badan dengan kurva temperatur yang ditunjukkan pada Gambar. 9. Suhu di mana tingkat maksimum oksidasi berlangsung adalah 483? C, 482? C, 482? C dan 481? C selama 0,44%, 0,22%, 0,11% dan HDPE, masing-masing. Hal ini diamati bahwa suhu oksidasi komposit ini tidak banyak terpengaruh oleh penambahan CNT, yang mungkin karena fraksi yang sangat rendah dari CNT dalam komposit. Puncak tambahan sekunder diamati pada Gambar. 9 adalah karena kelompok-kelompok fungsional yang melekat dalam nanotube....

5. kesimpulanKesimpulan berikut yang berasal dari studi yang dilaporkan di atas:1. Komposit CNT-HDPE menunjukkan peningkatan yang baik dari sifat mekanik dengan peningkatan konsentrasi CNT.2. Model Halpin-Tsai dan seri model dimodifikasi memberikan kesepakatan dekat untuk menghitung modulus Young komposit CNT-HDPE.3. Ukuran penguatan meningkat seiring dengan peningkatan CNT karena efek transfer beban yang baik dan hubungan antarmuka antara CNT dan polimer.4. Laju keausan volumetrik, dan kebalikan dari ketangguhan menunjukkan hubungan linear yang sangat baik yang mendukung prediksi teoritis dari model pakaian mikroskopis.5. Titik lebur dan suhu oksidasi komposit CNT-HDPE tidak terpengaruh dengan penambahan CNT tetapi kristalinitas komposit meningkat.