Epoxy composites with carbon nanotubes

• Autorzy: Pilawka R. , Paszkiewicz S. , Rosłaniec Z.

Warianty tytułu

PL

Kompozycje epoksydowe z nanorurkami węglowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the work viscosity, curing process of epoxy resins, electrical conductivity and mechanical strength of epoxy composites with carbon nanotubes were investigated. As a component was used Epidian 6 epoxy resin cured with 1-buthylimidazole by anionic polymerization. Compositions with nanofillers were prepared by sonification of multiwall carbon nanotubes (BAYTUBES 150 P and BAYTUBES 150 HP) in epoxy resin without any solvent. The morphology of prepared nanocomposites was examined by using SEM. Scanning electron microscopy confirms good dispersion of CNTs, but the presence of agglomerates is also identified. Viscosity of compositions with two kind of carbon nanotubes was established by means of ARES rheometer. Curing process with ARES rheometer and DSC was investigated. Bending strength and electrical conductivity were performed on composites made of an epoxy resin loaded with 0.1, 0.2, 0.5, 1 and 2 wt. percent both types of MWNTs. The incorporation of MWCNT to epoxy resin results in a sharp insulator-to-conductor transition with a percolation threshold (phi c) as low as 0.5 wt. percent for Baytubes 150 HP and 1.0 wt. percent for Baytubes 150 P. An electrical conductivity of 10 to the -4 S/cm was achieved for 0.5 wt. percent of MWCNT 150 HP. The low percolation threshold for each MWCNTs and relatively high electrical conductivity are attributed to the high aspect ratio, large surface area and uniform dispersion of the carbon nanotubes in epoxy matrix.

PL

W pracy ustalono właściwości mechaniczne, przewodnictwo elektryczne, lepkość oraz proces sieciowania kompozycji epoksydowych z nanorurkami węglowymi. Stosowano żywicę epoksydową Epidian 6 sieciowaną 1-butylimidazolem zgodnie z mechanizmem polimeryzacji anionowej. Kompozycje z nanonapełniaczami przygotowano poprzez sonikację wielościennych nanorurek węglowych (BAYTUBES 150 P oraz BAYTUBES 150 HP) w żywicy epoksydowej bez użycia rozpuszczalnika. Strukturę wytworzonych nanokompozytów określono metodami skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Nanokompozyty cechuje duża dyspersja CNT z nielicznymi aglomeratami. Określono wpływ zawartości nanorurek na lepkość kompozycji. Kinetykę procesu sieciowania ustalono metodą różnicową kolorymetrii skaningowej (DSC) oraz reometrii, przy zastosowaniu aparatu ARES. Wytrzymałość na zginanie oraz przewodnictwo elektryczne określono dla kompozycji epoksyd/MWCNT o zawartości nanorurek 0.1, 0.2, 0.5, 1 oraz 2 procent mas. dla obu typów nanorurek węglowych. Wprowadzenie nanorurek węglowych do żywicy epoksydowej powoduje nagłe przejście od izolatora do przewodnika z progiem perkolacji (fi c) wynoszącym 0.5 procent mas. dla Baytubes 150 HP oraz 1.0 procent mas. dla Baytubes 150 P. Przewodnictwo elektryczne 10 do -4 S/cm uzyskano przy zawartości 0.5 procent mas. nanorurek MWCNT 150 HP. Mała wartość perkolacji dla obu użytych typów nanorurek węglowych oraz dobre przewodnictwo elektryczne są spowodowane dużą wartością współczynnika kształtu, dużą powierzchnią właściwą oraz jednolitą dyspersją nanorurek węglowych w żywicy epoksydowej.

Słowa kluczowe

EN

epoxy resins; multiwall carbon nanotubes; morphology; curing process; electrical conductivity; bending strength

PL

żywice epoksydowe; nanorurki węglowe wielościenne; morfologia; proces sieciowania; przewodnictwo elektryczne; wytrzymałość na zginanie

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN ; De Gruyter
• Czasopismo: Advances in Manufacturing Science and Technology
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 36, nr 3
• Strony: 67--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Pilawka R.

autor

Paszkiewicz S.

autor

Rosłaniec Z.

• Institute of Materials Science and Engineering, West Pomeranian University of Technology in Szczecin, al. Piastów 19, 70-310 Szczecin,

Bibliografia

• [1] S. IIJIMA: Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 354(1991), 56-58.
• [2] R.H. BAUGHMAN et al: Carbon nanotubes-the route toward applications. Science, 297(2002), 787-792.
• [3] P. MELISSA et al.: Carbon nanotubes-production and industrial applications. Mater Des, 282007;28:1477-89.
• [4] G. PHILIP et al.: Current saturation and electrical breakdown in multiwalled carbon nanotubes. Phys Rev. Lett., 86(2001), 3128-31.
• [5] K.T. LAU et al.: The revolutionary creation of new advanced materials-carbon nanotube composites. Composites: Part B, 33(2002), 263-77.
• [6] M.F. YU et al.: Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load. Science, 287(2000), 637-40.
• [7] J.P. LU: Elastic properties of carbon nanotubes and nanoropes. Phys Rev. Lett., 79(1997), 1297-300.
• [8] J.P. SALVETAT et al.: Elastic and shear moduli of single-walled carbon nanotube ropes. Phys Rev. Lett., 82(1999), 944-7.
• [9] D. SRIVASTAVA et al.: Nanomechanics of carbon nanotubes and composites. Appl. Mech. Rev., 56(2003), 215-30.
• [10] V.A. BURYACHENKO et al.: Multi-scale mechanics of nanocomposites including interface: experimental and numerical investigation. Соmр. Science Technology, 65(2005), 2435-65.
• [11] E.T. THOSTENSON et al.: Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review. Соmр. Science Technology, 61(2001), 1899-912.
• [12] M. ALEKSANDER: Design and identification methods of effective mechanical properties for carbon nanotubes. Mater. Des., 31(2010), 1671-5.
• [13] A.B. DALTON et al.: Super-tough carbon-nanotube fibres-these extraordinary composite fibres can be woven into electronic textiles. Nature, 423(2003), 703.
• [14] D. QIAN et al: Load transfer and deformation mechanisms in carbon nanotube-polystyrene composites. Appl. Phys. Lett., 76(2000), 2868-70.
• [15] R. ANDREWS et al.: Fabrication of carbon multiwall nanotube/ polymer composites by shear mixing. Macromol. Mater. Eng., 287(2002), 395-403.
• [16] S. BARRAU et al.: DC and AC conductivity of carbon nanotubes-polyepoxy composites. Macromolecules, 36(2003), 5187-94.
• [17] E. CAMPONESCHI et al.: Uniform directional alignment of single-walled carbon nanotubes in viscous polymer flow. Langmuir, 22(2006)4, 1858-62.
• [18] Y-Η. LIAO et al.: Investigation of the dispersion process of SWNTs/SC-15 epoxy resin nanocomposites. Mater Sci. Eng. A, 385(2004)1-2, 175-81.
• [19] A. EITAN et al. : Surface modification of multiwalled carbon nanotubes: toward the tailoring of the interface in polymer composites. Chem. Mater., 15(2003)16, 3198-201.
• [20] H.D. WAGNER et al.: Stress-induced fragmentation of multiwall carbon nanotubes in a polymer matrix. Appl. Phys. Lett., 72(1998), 188-90.
• [21] P. PÖTSCHKE et al.: Rheological behavior of multiwalled carbon nanotube /polycarbonate composites. Polymer, 43(2002), 3247-55.
• [22] J. A. ROBERTS et al.: Electromagnetic wave properties of polymer blends of single wall carbon nanotubes using a resonant microwave cavity as a probe. J. Appl. Phys., 95(2004), 4352-6.
• [23] A.M.K. ESAWI et al.: Carbon nanotube reinforced composites: potential and current challenges. Mater. Des., 28(2007), 2394-401.
• [24] Т. KASHIWAGI et al.: Relationship between dispersion metric and properties of PMMA/SWNT nanocomposites. Polymer, 48(2007), 4855-66.
• [25] F.H. GOJNY et al.: Functionalization effect on the thermomechanical behaviour of multi-wall carbon nanotube/epoxy-composites. Соmр. Science Technology, 64(2004), 2303-8.
• [26] F.H. GOJNY et al.: Carbon nanotube-reinforced epoxy-composites: enhanced stiffness and fracture toughness at low nanotube content. Comp. Science Technology, 64(2004), 2363-71.
• [27] L. LIU et al.: Rubbery and glassy epoxy resins reinforced with carbon nanotubes. Соmр. Science Technology, 65(2005), 1861-8.
• [28] J.D FIDELUS et al.: Thermomechanical properties of randomly oriented carbon/epoxy nanocomposites. Composites: Part A, 36(2005), 1555-61.
• [29] Y. ZHUO et al.: Experimental study on the thermal and mechanical properties of multi-walled carbon nanotube reinforced epoxy. Mater. Science Eng. A, 452-453(2007), 657-64.
• [30] M. KACPERSKI: Polymer nanocomposites, part I. Polimery, 11-12(2002), 49-55.
• [31] Μ. KACPERSKI: Polymer nanocomposites, part II. Polimery, 2(2002), 12-17.
• [32] M.R. LOOS et al.: Effect of carbon nanotubes addition on the mechanical and thermal properties of epoxy matrices. Mat Res., 11(2008).
• [33] Ch. ZHEN-KUN et al.: Reinforcement of epoxy resins with multi-walled carbon nanotubes for enhancing cryogenic mechanical properties. Polymer, 50(2009), 4753-4759.
• [34] F.H. GOJNY et al.: Influence of different carbon nanotubes on the mechanical properties of epoxy matrix composites - A comparative study. Соmр. Science Technology, 65(2005).