Study on efficiency of solid-state polycondensation on poly(ethylene terephthalate)/carbon nanotube composites

• Autorzy: Kwiatkowska M. , Kowalczyk I.

Warianty tytułu

PL

Ocena efektywności procesu dopolikondensowania w stanie stałym kompozytów na bazie poli(tereftalanu etylenu) z udziałem nanorurek węglowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the problems concerning carbon nanotube (CNT)/thermoplastic polyester composites, prepared by in situ synthesis, is usually a lower molecular weight of the polymer matrix when compared to a homopolymer polymerized in the same conditions. It results in lower elongation at break/mechanical strength of the polymer, which may diminish the reinforcing effect coming from polymer/CNT interactions in the composite. Extension of the reaction time brings, in turn, problems with extruding the melted composite from the reactor due to its high viscosity and in consequence material waste. The objective of this study was to evaluate the efficiency of the solid-state polycondensation process (SSP), which is commonly applied to thermoplastic polyesters on an industrial scale, as regards poly(ethylene terephthalate) (PET) filled with single-walled (SWCNT) or multi-walled (MWCNT) carbon nanotubes. The experiments were carried out using a laboratory-made vacuum SSP set-up. The presented results prove the relatively high efficiency of the process, however, the material geometry seems to be a key factor. The best results were achieved for samples with the smallest thickness. Moreover the presence of nanoparticles in the polymer does not prevent or hinder further polymerization in the solid, and the reaction effectiveness is even higher in CNT composites when compared to an unfilled polymer.

PL

Jednym z problemów w pracach badawczych nad wytwarzaniem kompozytów poliestrowych z udziałem nanorurek węglowych (CNT) metodą syntezy in situ jest trudność w uzyskaniu odpowiedniej masy cząsteczkowej osnowy polimerowej w porównaniu z masą poliestru syntezowanego w tych samych warunkach, lecz bez udziału nanonapełniaczy. Może to niwelować spodziewany efekt wzmocnienia, wynikający z oddziaływań polimer-nanonapełniacz. Wydłużenie zaś syntezy kompozytu wiąże się z trudnościami z wytłoczeniem materiału z reaktora na skutek jego dużej lepkości i stratami materiału. Celem prezentowanych badań było zbadanie efektywności procesu polimeryzacji w stanie stałym (SSP), jaki stosuje się w warunkach przemysłowych m.in. do termoplastycznych poliestrów, w zastosowaniu do kompozytów poli(tereftalanu etylenu) z udziałem jedno- i wielościennych nanorurek węglowych. Eksperymenty prowadzono na próbkach o różnej geometrii, tj. granulacie, elementach wyprasek oraz cienkich foliach. Wyniki badań w skali laboratoryjnej wskazują na stosunkowo wysoką efektywność dopolikondensowania, przy czym zarówno w przypadku homopolimeru, jak i kompozytów największy przyrost mas cząsteczkowych uzyskano dla materiałów w postaci folii. Ponadto potwierdzono, iż obecność nanostruktur nie tylko nie stanowi ograniczenia dla reakcji polimeryzacji w stanie stałym, ale również efektywność procesu w przypadku kompozytów jest większa niż dla polimeru bez udziału CNT.

Słowa kluczowe

EN

carbon nanotube; polymer composites; in situ synthesis; solid-state polycondensation

PL

nanorurki węglowe; kompozyty polimerowe; synteza in situ; proces dopolikondensowania

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 3
• Strony: 119--123
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kwiatkowska M.

• West Pomeranian Univerity of Technology Szczecin, Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics al. Piastów 19, 70-310 Szczecin, Poland

autor

Kowalczyk I.

• West Pomeranian Univerity of Technology Szczecin, Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics al. Piastów 19, 70-310 Szczecin, Poland

Bibliografia

• [1] Hou Y., Tang J., Zhang H., Qian C., Feng Y., Liu J., Functionalized few-walled carbon nanotubes for mechanical reinforcement of polymeric composites, ACS Nano 2009, 5, 3, 1057-1062.
• [2] Sahooa N.G., Rana S., Cho J.W., Li L., Chana S.H., Polymer nanocomposites based on functionalized carbon nanotubes, Prog. Polym. Sci. 2010, 35, 837-867.
• [3] Díez-Pascual A.M., Naffakh M., Marco C., Ellis G., Gómez-Fatou M.A., High-performance nanocomposites based on polyetherketones, Prog. Mater. Sci. 2012, 57, 1106-1190.
• [4] Sun X., Sun H., Li H., Peng H., Developing polymer composite materials: Carbon nanotubes or graphene? Adv. Mater. 2013, 25, 5153-5176.
• [5] De Volder M.F.L., Tawfick S.H., Baughman R.H., Hart A.J., Carbon nanotubes: Present and future commercial applications, Science 2013, 339, 535-539.
• [6] Moniruzzaman M., Chattopadhyay J., Billups W.E., Winey K.I., Tuning the mechanical properties of SWNT/nylon 6,10 composites with flexible spacers at the interface, Nano. Lett. 2007, 7, 1178-1185.
• [7] Lahelin M., Annala M., Nykänen A., Ruokolainen J., Seppälä J., In situ polymerized nanocomposites: Polystyrene/CNT and Poly(methyl methacrylate)/CNT composites, Compos. Sci. Technol. 2011, 71, 900-907.
• [8] Broza G., Kwiatkowska M., Rosłaniec Z., Schulte K., Processing and assessment of poly(butylene terephthalate) nanocomposites reinforced with oxidized single wall carbon nanotubes, Polym. 2005, 46, 5860-5867.
• [9] Szymczyk A., Poly(trimethylene terephthalate-block-tetramethylene oxide) elastomer/single-walled carbon nanotubes nanocomposites: Synthesis, structure, and properties, J. Appl. Polym. Sci. 2012, 126, 796-807.
• [10] Szymczyk A., Z. Roslaniec, M. Zenker, M.C. García-Gutiérrez, J.J. Hernández, D.R. Rueda, A. Nogales, T.A. Ezquerra, Preparation and characterization of nanocomposites based on COOH functionalized multi-walled carbon nanotubes and on poly(trimethylene terephthalate), Exp. Polym. Lett. 2011, 5, 977-995.
• [11] Kwiatkowska M., Broza G., Męcfel J., Sterzyński T., Rosłaniec Z., Otrzymywanie i charakterystyka nanokompozytów polimerowych PBT/nanorurki węglowe, Kompozyty (Composites) 2005, 2, 99-104.
• [12] Fakirov S. (ed.), Handbook of Thermoplastic Polyesters, Viley-vch Verlag GmbH, Weinheim 2002.
• [13] Scheiris J., Long T.E. (ed.), Modern Polyesters: Chemistry and Technology of Polyesters and Copolyesters, John Wiley & Sons, Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2003.
• [14] Huang B., Walsh J.J., Solid-phase polymerization mechanism of poly(ethylene terephthalate) affected by gas flow velocity and particle size, Polym. 1988, 39, 6991-6999.
• [15] Ma Y., Agarwal U.S., Sikkema D.J., Lemstra P.J., Solid-state polymerization of PET: influence of nitrogen sweep and high vacuum, Polym. 2003, 44, 4085-4096.
• [16] Vouyiouka S.N., Karakatsani E.K., Papaspyrides C.D., Solid state polymerization, Prog. Polym. Sci. 2005, 30, 10-37.
• [17] Hernández J.J., García-Gutiérrez M.C., Nogales A., Rueda D.R., Kwiatkowska M., Szymczyk A., Rosłaniec Z., Concheso A., Guinea I., Ezquerra T.A. Influence of preparation procedure on the conductivity and transparency of SWCNT-polyer nanocomposites, Compos. Sci. Technol. 2009, 69, 1867-1872.
• [18] Pilawka R., Paszkiewicz S., Rosłaniec Z., Thermal degradation kinetics of PET/SWCNTs nanocomposites prepared by the in situ polymerization, J. Therm. Anal. Calorim. 2014, 115, 451-460.
• [19] Brandrup J. (ed.), Polymer Handbook, 4th Edition, John Wiley & Sons Ltd., Chichester 2005.