Příprava vybraných kompozitů s nanočásticemi patřících do rodiny grafenu

PREPARATION OF SELECTED COMPOSITES WITH NANOPARTICLES BELONGING TO THE GRAPHENE FAMILY

Petra Roupcováa , Kristína Matušincováb , Karolína Kovalčíkováb

Jaroslav Hölzelc , Karel Burjánekc , Karel Kloudaa,c

a VŠB- TU Ostrava, petra.roupcova@vsb.cz; karel.klouda@vsb.cz

b Technická univerzita Žilina, matusincova.kristina@gmail.com; kovalcikova.karolina@gmail.com

c Výzkumný ústav bezpečnosti práce, v. v. i. holzel@vubp-praha.cz; burjanek@vubp-praha.cz; klouda@vubp-praha.cz

Přijat k publikování 9. 5. 2018

Abstrakt

V příspěvku je popsána příprava kompozitních sloučenin polydimethylsiloxanu (PDMS) s C-sloučeninami (grafen oxid, redukovaný grafen oxid - rGO, více vrstevnaté trubičky - MWCNT, biochar). Kompozity byly podrobeny tepelnému rozkladu (analýza TGA a DSC). Detailně je popsán průběh rozkladu kompozitu PDMS - biochar (1% -18%)  v závislosti na obsahu biocharu a byl rovněž analyzován jeho koncentrační vliv. Vliv koncentrace biocharu byl rovněž testován při měření vodivosti kompozitu a jeho ovlivnění vůči modulu pružnosti při statickém měření pevnosti v tahu. Měření mechanických vlastností byla realizována u kompozitu biochar-grafen oxid a v nanovláknech polymeru polyvinyl butyralu (PVB) v porovnaní s nanovlákny bez přidaného kompozitu. Přidaný kompozit snížil hodnotu modulu pružnosti nanovláken.

Klíčová slova: kompozitní sloučeniny, grafen oxid, biochar, polydimethylsiloxan, modul pružnosti.

Abstract

The paper describes the preparation of composite compounds of polydimethylsiloxane (PDMS) with C-compounds (potassium oxide, reduced graphene oxide - rGO, multilayer carbon nanotubes - MWCNT, biochar). The composites were subjected to thermal decomposition (TGA and DSC analysis). The decomposition of PDMS-biochar composite (1% -18%) was described in meticulous details in relation to biochar content and its concentration influence was further analyzed. The influence of biochar concentration was also tested in the measurement of the conductivity of the composite and its influence on the modulus of elasticity in static tensile measurement. The measurement of mechanical properties was performed on the composite of biochar-graphene oxide and in the nanofibers of the polymers of polyvinyl butyral compared to nanofibers without added composite. The added composite has lowered the value of the elastic modulus of the nanofibers.

Keywords: composite compounds, graphene oxide, biochar, polydimethylsiloxane, modulus of elasticity.

Úvod

Mezi tzv. rodinu grafenu, jak se často tyto sloučeniny v literatuře nazývají, je řazen grafen, grafen oxid (GO), redukovaný grafen oxid (rGO), fullereny a multi a single uhlíkaté nanotrubičky (MWCNT, SWCNT). Dále se do této skupiny řadí určitý typ biocharu, který byl připraven pyrolýzou biomasy společností BIOUHEL.CZ s.r.o. (Zlín). V jeho struktuře byly identifikovány funkční skupiny charakteristické pro rGO (C=O, -COOH, -C-O-C, -OH) a mřížkové uspořádání uhlíku se sumárním vzorcem   C 14-15 O.

Fulleren C60 a MWCNT byly komerčně zakoupeny. GO byl připraven oxidací grafitu, viz experimentální část a rGO byl z něho následně připraven redukcí pomoci kyseliny askorbové, rovněž viz experimentální část.

GO byl získán ve vodní suspenzi, což umožnilo jeho nanášení buď roztěrem, nástřikem, anebo vysušením suspenze na pevný prášek. Ten byl redukován kyselinou askorbovou a následně se z něj připravil rGO. Tyto látky byly výchozím nanokompozitem.

Polymerní nanokompozity na grafenové bázi lze připravit nekovalentní disperzní metodou a to mícháním v roztoku, tavenině, či v některých specifických případech, u kterých lze připravit dle typu polymerní matrice i kompozity s kovalentní vazbou mezi polymerní matricí a plnidlem, což bývá zpravidla u GO [1]. U nekovalentních kompozitů zajištují interakce mezi plnidlem na bázi grafenu a polymerní matricí [2]:

  • Van der Waalsovy síly;
  • hydrofobní – hydrofilní interakce;
  • π-π  interakce;
  • vodíkové vazby;
  • Coulombické síly mezi polymerem a plnidlem.

Fáze mezi polymerovými matricemi a samotným plnidlem mohou byt separovány, interkalovány, či vzájemně exfoliovány. Kromě úpravy vlastního druhu polymeru, který sám o sobě ovlivňuje právě chování kompozitu, dále závisí na množství a typu grafenové matrice. Všechny výše uvedené skutečnosti následně ovlivňují vlastnosti kompozitu a to [3]:

  • mechanické;
  • tepelnou stabilitu;
  • tepelnou vodivost;
  • elektrickou vodivost;
  • bariérové schopnosti [4];
  • odolnost plynu;
  • rozměrovou stabilitu.

Modifikované polymery, lze využít oproti mateřskému polymeru v řadě aplikací, jako jsou [2]:

  • senzory plynů (CH4, NH3,H2S), organických látek (např. acetylen, aceton, LPG) a vlhkosti;
  • plynové bariéry (membrány) [4];
  • fotovoltaické aplikace a sluneční články;
  • retardéry hoření [5];
  • implantáty;
  • segment v zařízeních, kde se žádoucí změna mechanických vlastnosti (např. meze pružnosti).

Jako plnivo kompozitu do polymerní matice byly v našem případě použity uhlíkaté sloučeniny jako grafen oxid (GO), biochar, redukovaný grafen oxid (rGO), fulleren (C60), multiuhlíkaté trubičky MWCNT. Kompozity byly připraveny klasickým způsobem přípravy t.j. polymerace in situ, kdy byl před polymerací zajištěn přímý kontakt monomeru s kompozitem před vlastní polymerací. Další dílčí experimenty, popsané v tomto příspěvku, lze nazvat jako povrchové nanesení C- nanomateriálů na povrch polydimethylsiloxanu. Byl aplikován přímý kontakt GO a rGO ve formě fólie a prášku, biocharu na elastomer s následnou polymerací při teplotě 80-90 °C. Ve spolupráci s TU-Liberec byl zaveden GO a biochar do olygomeru vinylbutyralu, který byl následně zvlákněn pomocí technologie „electrospinning“.

Materiál a metody

  1. a)      chemikálie a přístroje

    • silikonový elastomer sylgard 184 Dow Corning;
    • tvrdilo (tužidlo) Dow Corning;
    • polydimethylsiloxan, Michigan, USA Dowcoring Comporation Michigan (PDMS);
    • polyvinilbutyral (PVB), Sigma – Aldrich;
    • biochar- produkt pyrolýzy biomasy [6];
    • grafen oxid -připravený oxidací grafitu [7];
    • redukovaný grafen oxid (rGO) - připravený redukcí grafen oxidu pomocí kyseliny askorbové [8];
    • fulleren C60 - dodávka od SES Research, Houston, USA (čistota 99,5 %);
    • více vrstevnaté nanotrubičky (MWCNT)- dodávka od Joint Research Centre, Institute of Health and Consumer Protection, Via. E. Fermi 2749, I-21027 Ispra (VA) Italy;
  2. b) použité přístroje

    • Mikroskop Twist Digital Microscope Learning Resource, Inc. USA;
    • Skenovací elektronový mikroskop FEI QUANTA 650 FEG (FEI USA);
    • TGA a DSC Metter Toledo;
    • Trhací zařízení FPZ 10/1;
    • Měření proudu (odporu) KEITHLEY 6517 ELECTROMETER/HIGH RESISTANCE SYST;

Postup přípravy:

a) Do kádinky 50 ml se vloží sylgard 184 a přidá se kompozitní materiál. Vzájemné váhové poměry kompozitů udává Tabulka I. Směs se intenzivně míchá střídavě se sonikací při 40 °C po dobu 30 minut. Následně se po kapkách přidá tužidlo (10 hm % k navážce sylgardu 184) a tato směs se nadále intenzivně míchá 2-3 min. Poté se rozlije např. na sklíčka v Petriho misce na pečící papír, do skleněných zkumavek nebo na nanotextílie z PCl apod., viz Obr. 1, která se následně vysuší při 80-90 °C po dobu 2-3 hod, aby došlo k zpolymerování. 

b) Připravená směs sylgardu 184 s tužidlem se vyleje na biochar prášek, fólii, GO, fólii rGO (vysušená suspenze rGO v Pr-OH). Následně se směs vloží do sušárny na 80-90 °C po dobu 2-3 hod ke zpolymerování. Ke kvalitě povlaku na PDMS lze mít řadu výhrad. Fólie praskaly při ohybu PDMS, prášek se uvolňoval z povrchu polymeru, pouze rGO dlouhodobě sonikován s PrOH, následně opatrně vysušen do fólie a přelit PDMS a dál ponechán vytuhnout na 80 – 90 °C. Tento povlak si zachoval celistvost na PDMS a byl dále testován.

c) Elektrospinovaním (30kV napětí zvlákňovací, -10kV napětí sběrné, 27% suspenze GO a biocharu) byla pro naše využití připravena na pracovišti TU Liberec nanovlákna (nanotextílie) polyvynyl butyralu s obsahem GO a biocharu ve vláknech.

Kompozit Obsah kompozitního materiálu v hm % Poznámka k morfologii [1]
BIOCHAR(a) 1,1 Produkt ideálně homogenní, viz Obr. 2
BIOCHAR(b) 3,1 -//-
BIOCHAR(c) 5,0 -//-
BIOCHAR (d) 18,00 -//-
GRAFEN OXID [I] 2,3 V produktu lze identifikovat tmavé částice, viz Obr. 3
GRAFEN OXID [II] 4,5 -//-
GRAFEN OXID [III] 9,4 Produkt homogenní
Fulleren C60 1,8 V produktu viditelné částice, viz Obr. 4
MWCNT 0,4 Ideálně homogenní částečně patrné vlákno, viz Obr. 5
rGO 3,0 V produktu lze identifikovat tmavé částice
- 0,0 slepý pokus (viz Obr. 6)

Tabulka I: Typ kompozitu a jeho obsah v produktu

 

Různé tvarové varianty připravených kompozitů
Obr. 1: Různé tvarové varianty připravených kompozitů

Kompozit-Biochar (3,1)%
Obr. 2: Kompozit-Biochar (3,1)%

PDMS-GO (500x) 2,3%
Obr.3: PDMS-GO (500x) 2,3%

Kompozit fulleren (C60)
Obr. 4: Kompozit fulleren (C60)

Kompozit MWCNT
Obr. 5: Kompozit MWCNT

PDMS
Obr. 6: PDMS

Výsledky a diskuze

U dvou typů kompozitních materiálů a to PDMS/Biochar a PDMS/GO byla při tepelném rozkladu sledována závislost teplotních a hmotnostních parametrů na obsahu plnidla. Vyšší obsah biocharu (a-c) způsobil zvýšení hmotnostního úbytku, nárůst teploty počátku a konce rozkladu kompozitu. Toto výstižně vyjadřuje graf na obr. 7 a to i v porovnání s křivkami rozkladu samotného PDMS. Při skokovém nárůstu obsahu biocharu na 18 % kompozitu, došlo ke zvýšení hmotnostního úbytku při rozkladu. Rovněž došlo k posunu hodnoty teploty na konci rozkladu o 150 °C ve srovnání se samotným  PDMS a o105 °C oproti kompozitnímu materiálu s obsahem biocharu 1,1 % (viz Obr. 7-8). Tepelné rozklady kompozitu s biocharem měly exotermní průběh. U kompozitu PDMS/Biochar (a-c) byly tři teplotní intervaly s maximálními váhovými úbytky a to: 370-390 °C, 470-480 °C, 590-630 °C. Kompozit (d) s 18% biocharu dosáhl dvou maximálních váhových úbytků při 470°C (52 hm %) a při teplotě 707°C (14 %).

U samotného PDMS je maximální úbytek hmotnosti 31 % v teplotním intervalu 440-650°C.

Výsledky teplotních rozkladů kompozitu s GO byly pravděpodobně ovlivněny nehomogenitou kompozitu a vlivem koncentračního zastoupení GO (viz Obr. 9-11). Graf rozkladu (Obr. 10) kompozitu s obsahem 4,5 % GO má samostatně identifikovatelné exoefekty s maximy při 40,8 °C, 574 °C a 678 °C a hmotnostní úbytek celkového rozkladu je o 18 hm % vyšší než u kompozitu s dvojnásobným obsahem GO, kde je v grafu identifikována maximální hodnota při 612°C (viz Obr. 11). Snížením obsahu kyslíku u rGO mírně ovlivnil tepelný průběh rozkladu v porovnání s kompozitem původního GO s obdobným obsahem 2,3 % (viz Obr. 12). Tepelné zabarvení exotermického rozkladu je obdobné (viz Tab. 2).

Porovnáním grafu rozkladu kompozitu s C60 a MWCNT (Obr. 13-14) zjistíme, že počátek rozkladu, váhový úbytek a zabarvení exotermické reakce jsou obdobné. Markantnější rozdíl je v ukončení rozkladu, který je u kompozitu s fulerenem oproti kompozitu s MWCNT vyšší o 100 °C.

Kompozit Obsah kompozitu
(hm %)
∑ΔH
(J/g)
Hmotnostní úbytek
(hm %)
Počátek rozkladu
(° C)
Konec rozkladu
(°C)
BIOCHAR(a) 1,1 3420 47,5 280 705
BIOCHAR (b) 3,1 3620 54,1 290 720
BIOCHAR(c) 5,0 3568 58,9 305 740
BIOCHAR(d) 18,0 6074 66,6 230  
GO (i) 2,3 4063 45 210 800
GO (ii) 4,5 9716 49 100 750
GO (iii) 9,4 6074 39 230 740
rGO 3,0 3978 41 250 740
C60 1,8 3818 44 260 750
MWCNT 0,4 3599 44 250 650
PDMS - 3487 50 250 650
PDMS - 4121 37,6 280 650

Tabulka II: Termická analýza kompozitu PDMS

PDMS – Biochary (a-c)
Obr. 7: PDMS – Biochary (a-c)

PDMS - Biochar (d,18%)
Obr. 8: PDMS - Biochar (d,18%)

PDMS - Grafen oxid (i)
Obr. 9: PDMS - Grafen oxid (i)

PDMS - Grafen oxid (ii)
Obr. 10: PDMS - Grafen oxid (ii)

PDMS – GO (iii)
Obr. 11: PDMS – GO (iii)

PDMS - rGO
Obr. 12: PDMS - rGO

PDMS - Fuleren C60
Obr. 13: PDMS - Fuleren C60

PDMS - MWCNT
Obr. 14: PDMS - MWCNT

PDMS
Obr. 15: PDMS

Další výzkum byl zaměřen na kompozity s biocharem a to v oblasti elektrické vodivosti a mechanických vlastností a to v závislosti na obsahu biocharu v testovaných vzorcích kompozitu.

V literatuře [9,10] se uvádí, že adheze mezi biocharem a polymarem způsobuje zvětšení hodnoty meze pevnosti v tahu, inhibuje přenos tepla a hmoty u polymeru a drasticky redukuje produkci kouře. Uvádí se možné využití jako retardanty hoření [11] polymeru obdobně jako v případě, kdy je kompozitem právě GO [5].

Elektrická vodivost byla popsána [10] u kompozitu biochar - polyvinyl alkohol (2-10 hm % biocharu) s obdobným výsledkem jako v případě, že byly kompozitním materiálem uhlíkaté nanotrubičky [13]. Námi připravený kompozit PDMS – MWCNT byl použit na porovnání v testech elektrické vodivosti a při mechanických zkouškách, viz následující kapitoly.

Měření vodivosti (odporu) kompozitů

Naše měření u kompozitu PDMS – biochar (1 %, 5%, 18 %) prokázalo, že odpor kompozitu roste se zvyšujícím se obsahem biocharu a je závislý na vloženém elektrickém napětí (5-140 V), kdy rovněž odpor roste se zvyšujícím se elektrickém napětím (viz Tab. III., Obr. 17-20). Opačná situace je u kompozitu s MWCNT, kdy roste elektrická vodivost a odpor klesá se zvyšujícím se elektrickým napětím (viz Tab. III., Obr. 16).

Porovnáme-li námi získaný výsledek s publikovanými údaji u kompozitu jiného typu, a to polymeru polyvinyl alkoholu s biocharem, tak jejich měření uvádí, že zvyšující se obsah biocharu (2-10 %) v kompozitu snižuje odpor a zvyšuje elektrickou vodivost kompozitu.  Na Obr. 21 je uvedena závislost odporu u produktu, kde je rGO nanesen na povrch PDMS (viz experimentální část 2b). Odpor je více než o řád nižší, ale od hodnoty vloženého napětí 0,5 V má konstantní hodnotu, což je velmi vhodná situace pro povrch senzoru, ke sledování koncentrace plynu, či těkavých par. V tabulce III. a na Obr. 22 je uvedena závislost odporu čistého PDMS bez kompozitu na vloženém napětí. Změřený odpor do 100 V je nižší než u kompozitu s biocharem. Nad tímto napětím odpor prudce roste do hodnot GΩ.

N29 N015 (1 %) N020 (5 %) N023A (18 %) N023B (18 %) N017 N033
Napětí
(V)
Odpor
(MΩ)
Napětí
(V)
Odpor
(MΩ)
Napětí
(V)
Odpor
(MΩ)
Napětí
(V)
Odpor
(MΩ)
Napětí
(V)
Odpor
(MΩ)
Napětí
(V)
Odpor
(KΩ)
Napětí
(V)
Odpor
(MΩ)
5 579 5 17 5 23 5 27 5 32 0,05 1,14 5 4,89
10 377 10 35 10 46 10 54 10 68 0,1 1.00 10 10,69
15 312 15 53 15 72 15 79 15 98 0,2 1,28 15 17,34
25 234 25 75 25 122 25 134 25 167 0,4 1,22 25 31,87
35 186 35 136 35 175 35 205 35 248 0,6 1,14 35 48,54
45 152 45 171 45 231 45 258 45 317 0,8 1,14 45 70,37
55 131 55 214 55 275 55 320 55 366 1 1,14 55 95,5
70 108 70 297 70 343 70 402 70 498 1,2 1,1 70 158,15
80 95 80 324 80 411 80 474 80 525     80 216,89
100 79 100 415 100 515 100 580 100 697     100 418,96
120 67 120 518 120 642 120 742 120 790     120 1500,00
140 58 140 633 140 731 140 857 140 917     140 2760,00

Tabulka III: Měření odporu u testovaných kompozitů

Vysvětlivky k Tabulce III:

N29 - Kompozit PDMS - MWCNT (0,4)

N015 - Kompozit PDMS - Biochar (1%)

N020 - Kompozit PDMS - Biochar (5%)

N023A - Kompozit PDMS - Biochar, průřez vzorku 12 mm2 (18%)

N023B - Kompozit PDMS - Biochar, průřez vzorku 45 mm2 (18%)

N017 – rGO nanesen na PDMS

N033 - PDMS

Závislost odporu kompozitu s MWCNT (0,4 %) na vloženém napětí
Obrázek 16: Závislost odporu kompozitu s MWCNT (0,4 %) na vloženém napětí

Závislost odporu kompozitu s biocharem (1 %) na vloženém napětí
Obrázek 17: Závislost odporu kompozitu s biocharem (1 %) na vloženém napětí

Závislost odporu kompozitu s biocharem (9 %) na vloženém napětí
Obrázek 18: Závislost odporu kompozitu s biocharem (9 %) na vloženém napětí

Závislost odporu kompozitu s biocharem, průřez vzorku 12mm2 (18 %) na vloženém napětí
Obrázek 19: Závislost odporu kompozitu s biocharem, průřez vzorku 12mm2 (18 %) na vloženém napětí

Závislost odporu kompozitu s biocharem, průřez vzorku 45mm2 (18 %) na vloženém napětí
Obrázek 20: Závislost odporu kompozitu s biocharem, průřez vzorku 45mm2 (18 %) na vloženém napětí

Závislost odporu kompozitu s rGO nanesen na PDMS na vloženém napětí
Obrázek 21: Závislost odporu kompozitu s rGO nanesen na PDMS na vloženém napětí

Závislost odporu na čistým PDMS
Obrázek 22: Závislost odporu na čistým PDMS

Měření mechanických vlastností kompozitů, modul pružnosti

Trhací zkoušky kompozitu PDMS - biochar (5%) a nanovláknem PVB
Obrázek 23: Trhací zkoušky kompozitu PDMS - biochar (5%) a nanovláknem PVB

Vzorky kompozitu PDMS a vzorky nanotextílií PVB bez kompozitu a s kompozitem biochar a Go byly podrobeny stacionárním trhacím zkouškám v tahu (Obr. 23). Výsledkem těchto zkoušek bylo změření síly přetržení, deformace (vzorec1), dále bylo spočítáno napětí v tahu (vzorec2), a následně modul pružnosti v tahu (Younguv modul, vzorec3), viz Tab. IV - V. Hodnoty modulu pružnosti jsou uvedeny pod tabulkou a statisticky průkazná je hodnota modulu u kompozitu s 18% biocharu. U kompozitu nanotextílií PVB lze konstatovat, že nejnižší modul pružnosti byl změřen u PVB-GO a je nižší než u biocharu a u samotné nanotextílie PVB, u které modul má hodnotu 4,877 ± 0,4 MPa. Jako bonus jsou uvedeny v této kapitole i SEM snímky nanovláken s PVB a jejich modifikace s rodinou grafenu, viz Obr. 24 a-d.

Č. vzorku Popis Rozměr vzorku - šířka x délka x tl. (mm) Plocha průřezu (mm2) Délka (mm) Sila přetržení (N) Deformace Napětí (MPa) Modul pružnosti (MPa)
    šířka délka tloušťka S lo l Ʌl Fn ɛ σ E
N014 100% PDMS 10 12 0,6 6 12 26 14 2,8 1,17 0,47 0,4
100% PDMS 10 22 0,6 6 22 50 28 1,6 1,27 0,27 0,21
N015 PDMS - BIOCHAR (1% a) 10 32 0,6 6 32 62 30 10 0,94 1,67 1,78
PDMS - BIOCHAR (1% a) 10 33 0,6 6 33 49 16 6 0,48 1 2,06
N016 PDMS - BIOCHAR (5% c) 10 41 0,6 6 41 56 15 16 0,37 2,67 7,29
PDMS - BIOCHAR (5% c) 10 43 0,6 6 43 80 37 22 0,86 3,67 4,26
N023A PDMS- BIOCHAR (18% d) 15 60 0,8 12 40 63,3 23 8 0,58 0,67 1,14
PDMS- BIOCHAR (18% d) 15 60 0,8 12 40 62,1 22 8 0,55 0,67 1,21
N023B PDMS- BIOCHAR (18% d) 3 60 3,6 10,8 40 52,3 12 1,6 0,31 0,15 0,48
PDMS- BIOCHAR (18% d) 3 60 3,6 10,8 40 70,8 31 8 0,77 0,74 0,96
PDMS- BIOCHAR (18% d) 15 60 3 45 40 74,6 35 44 0,87 0,98 1,13
N029 PDMS - MWCNT 15 40 0,32 4,8 40 75,6 36 26,4 0,90 5,5 6,18

Tabulka IV: Měření mechanických vlastnosti kompozitu PDMS - s Biocharem a s MWCNT

Vysvětlivky k Tabulce IV:

E =PDMS 0,305 MPa

E = PDMS – MWCNT = 6,18MPa

E = PDMS - 1% BIOCHAR = 1,92 MPa

E= PDMS - 5% BIOCHAR = 5,77 MPa

E = PDMS – 18% BIOCHAR = 1,11 +- 0,12 MPa – směrodatná odchylka (hodnota 0,48 vyloučena Q test, Deanuv - dixonuv test)


Obrázek 24: a) nanovlákna PVB s biocharem, b) nanovlákna PVB s biocharem, c) nanovlákna PVB s GO, d) Nanovlákna PVB s GO

Č. vzorku Popis Rozměr vzorku - šířka x délka x tl. (mm) Plocha průřezu (mm2)   Délka v (mm) Síla přetržení (N) Deformace Napětí  (MPa) Modul pružnosti (MPa)
šířka délka tloušťka S  l0 l ʌ l Fn ɛ ʚ E
N 022A Nanovlákno PVB 15 40 0,1 1,5 40 63,4 23,4 4 0,59 2,67 4,558
N 022B Nanovlákno PVB 15 40 0,1 1,5 40 67,2 27,2 5,5 0,68 3,67 5,39
N 022C Nanovlákno PVB 15 40 0,1 1,5 40 61,7 21,7 4,0 0,54 2,67 4,92
N 022D Nanovlákno PVB 15 60 0,1 1,5 40 63 23 4 0,58 2,67 4,64
N 022E Nanovlákno PVB 15 60 0,1 1,5 40 75,3 35,3 4 0,88 2,67 3,02
N 024A Nanovlákno PVB s Biochar 15 40 0,1 1,5 40 76,8 36,8 5,6 0,92 3,73 4,06
N 024B Nanovlákno PVB s Biochar 15 40 0,1 1,5 40 74,0 34,0 5,0 0,85 3,33 3,92
N 024C Nanovlákno PVB s Biochar 15 40 0,1 1,5 40 72,7 32,7 5,0 0,82 3,33 4,08
N 024D Nanovlákno PVB s Biochar 15 60 0,1 1,5 40 67,2 27,2 4 0,68 2,67 3,92
N 024E Nanovlákno PVB s Biochar 15 60 0,1 1,5 40 69,7 29,7 4 0,74 2,67 3,59
N025A Nanovlákno PVB s GO 15 40 0,2 3 40 69,6 29,6 5,4 0,74 1,80 2,43
N 025B Nanovlákno PVB s GO 15 40 0,2 3 40 68,7 28,7 4,4 0,72 1,47 2,04
N 025C Nanovlákno PVB s GO 15 40 0,2 3 40 70,5 30,5 5,5 0,76 1,83 2,40
N 025D Nanovlákno PVB s GO 15 60 0,2 3 40 64,2 24,2 3,6 0,61 1,20 1,98
N 025E Nanovlákno PVB s GO 15 60 0,2 3 40 75,4 35,4 4 0,89 1,33 1,51

Tabulka V: Měření mechanických vlastností nanovláken PVB, bez a s kompozitem biochar a GO

E = PVB vyloučena hodnota 3,02;                                       E = 4,877 +-  0,4 MPa                                   Sr = 8,2%

E = PVB – BIOCHAR vyloučena hodnota 3,59;                E = 3,99 +-  0,077 MPa                                 Sr = 1,9%

E = PVB - GO vyloučena hodnota 1,51;                              E = 2,18+-  0,39 MPa                                    Sr = 18%

Závěr

U připravených kompozitů se podrobněji testovala závislost průběhu tepelného rozkladu na obsahu kompozitu. Primárně  jsme se zaměřili na kompozity PDMS - biochar (1% - 18%), kde byly prokázány při TGA a DSC analýze závislost teplotních a hmotnostních parametrů na obsahu plnidla, v našem případe biocharu. Tepelné rozklady všech testovaných C - sloučenin měly exotermický průběh. Vliv na výsledek teplotních rozkladů u kompozitu PDMS - GO byly pravděpodobně ovlivněny nehomogenitou kompozitu. Homogenní kompozit připravený disperzní metodou byl získán hlavně u biocharu a MWCNT jako plnidla. Měřením elektrického odporu (vodivosti) u kompozitu PDMS - biochar došlo k prokázání nárůstu odporu se zvyšujícím se obsahem biocharu a také závislosti odporu na vloženém napětí. Je to opačná situace oproti kompozitu s MWCNT, kdy roste vodivost a klesá odpor se zvyšujícím se napětí. U kompozitů,  kdy jsou GO s biocharem zabudovány přímo v nanovláknech PVB, byla testována stabilita těchto nanovláken v tahu (pomocí modulu pružnosti). Kompozit PVB - GO měl výrazně nižší modul pružnosti oproti nanovláknum čistého PVB.

Použitá literatura

[1] GALPAYA, D. ...[et al.]. Recent advances in fabrication and characterization of graphene – polymer nanocomposites. Graphene. 2012, pp. 30-49.

[2] KESONG, H. ...[et al.]. Graphene – polymer nanocomposites forstruscutal and cunctional applications. Progress in Polymer Science. 2014, pp. 1934-1972.

[3] KIM, H.; BDALA, A.A.; MACOSKO, CH.W. Graphene/Polymer Nanocomposites. Macromolecules. 2010, pp. 6515-6530.

[4] YOO, B.M. ...[et al.]. Graphene and Graphene Oxide and Their Uses in Barrier Polymers. Journal of Applies Polymer science. 2014, pp. 1-23.

[5] HIGGINBOTHAM, A.L. ...[et al.]. Graphite Oxide Flame: Retardant Polymer Nanocomposites. ACS APPLIED MATERIALNS & INTERFACES. 2009, pp. 2256-2261.

[6] GEMBALOVA, L. ...[et al.]. Biochar: ecological product and its application in enviromental protection. In: Proceedings of the 15th international konference Civil Protection 2016. 2016. S. 24-31.

[7] HUMER, W.S.; OFFEMAN, R.E. Preparation of graphitic Oxide. J. Am. chem. Soc. 1958, vol. 80, pp 1339.

[8] FERNÁNDEZ-MERINO, M.J. ...[et al.]. Vitamin C is an Ideal Substitute for Hydrazine in the Reduction of Graphene Oxide Suspensions. The Journal of Physical Chemistry C. 2010, pp. 6426–6432.

[9] VÄISÄNEN, T.; DAS, O.; TOMPPO, L. A review on new bio-based constituents for natural fiber - polymer composites. Journal of Cleaner Production. 2017, pp. 582-596.

[10] NAN, N. ...[et al.]. The effect of bio-carbon addition on the electrical, mechanical, and thermal properties of polyvinyl alcohol/biochar composites. J.Compos Mater. 2015, vol. 50, pp. 9.

[11] SHAH, A.U.R.; PRABHAKAR, M.N.; SONG, J. Current Advances in the Fire Retardancy of Natural Fiber and Bio-Based Composites.: a Review. International journal of precision engineering and manufacturing - green technology. 2017, pp. 247-262.

[12] IKRAM, S.; DAS, O.; BHATTACHARYYA, D. A parametric study of mechanical and flammability properties of biochar reinforced polypropylene composites. Compos Part A - Appl. Sci. 2016, vol. 1, pp. 177-188.

[13] CHEN, M. ...[et al.]. Highly conductive and stretchable polymer composites based on graphene/MWCNT network. ChemComm. 2013, pp. 1612-1616.

 

Vzorová citace

ROUPCOVÁ, Petra …[et al.]. Příprava vybraných kompozitů s nanočásticemi patřících do rodiny grafenu. Časopis výzkumu a aplikací v profesionální bezpečnosti [online]. 2018, roč. 11, č. 2. Dostupný z: https://www.bozpinfo.cz/josra/priprava-vybranych-kompozitu-s-nanocasticemi-patricich-do-rodiny-grafenu. ISSN 1803-3687.


[1] Ideální homogenní materiál se získal zejména pro kompozitní materiály s biocharem a MWCNT, ale přesto byly určité vlásečnice stále patrny. U ostatních kompozitů jsou pod mikroskopem k rozpoznání jemné části kompozitů (500x zvětšení).

Nabízíme Vám možnost BEZPLATNÉHO odběru e-mailového zpravodajství

Přehled příspěvků publikovaných na oborovém portálu BOZPinfo zasílaný každý pátek odpoledne

Kde nás najdete

Provozovatel portálu

Výzkumný ústav bezpečnosti práce, v. v. i.
Jeruzalémská 1283/9
110 00 Praha 1
+420 221 015 844
X

Přihlášení

Zapomněli jste heslo?
zašleme vám nové na váš e-mail