KR20180040579A - Graphene reinforced polyethylene terephthalate - Google Patents
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Abstract
그래핀 보강된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)를 위한 조성물 및 방법이 제공된다. 다층 그래핀을 포함하는 그래핀 나노소판 (GNP)이 PET를 보강하는데 사용되어, 다양한 새로운 적용을 위해 PET의 특성을 개선시킨다. 분산된 그래핀 나노소판과 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 마스터-배치는 배합에 의해 수득된다. 마스터-배치는 0.5% 내지 15% 범위인 중량 분율에서의 PET-GNP 나노복합체를 형성하는데 사용된다. 일부 실시양태에서, PET 및 GNP는 이축-스크류 압출에 의해 용융 배합된다. 일부 실시양태에서, 용융 배합을 보조하기 위해 초음파가 이축-스크류 압출기와 커플링된다. 일부 실시양태에서, PET-GNP 나노복합체는 고속 사출 성형에 의해 제조된다. PET-GNP 나노복합체는 상이한 배합 공정을 대조하기 위해 그의 기계적, 열적 및 유변학적 특성에 의해 비교된다.Compositions and methods for graphene reinforced polyethylene terephthalate (PET) are provided. Graphene nano plastic (GNP), including multilayer graphenes, is used to reinforce PET, improving the properties of PET for a variety of new applications. Master-batches comprising dispersed graphene nano platelets and polyethylene terephthalate are obtained by blending. The master-batch is used to form PET-GNP nanocomposites in a weight fraction ranging from 0.5% to 15%. In some embodiments, PET and GNP are melt blended by biaxial-screw extrusion. In some embodiments, ultrasonic waves are coupled with the biaxial-screw extruder to aid in melt compounding. In some embodiments, the PET-GNP nanocomposite is produced by high speed injection molding. PET-GNP nanocomposites are compared by their mechanical, thermal and rheological properties to contrast different compounding processes.
Description
우선권preference
본 출원은 2016년 7월 6일에 출원된 미국 특허 출원 번호 15/203,668 및 2016년 3월 17일에 출원된 미국 특허 출원 번호 15/073,477, 및 2015년 3월 17일에 출원된 "사출 성형된 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)-그래핀 나노복합체(Injected Molded Poly(Ethylene Terephthalate)-Graphene Nanocomposites)"라는 명칭의 미국 가출원 일련 번호 62/134,482, 및 2015년 7월 8일에 출원된 "그래핀 보강된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Graphene Reinforced Polyethylene Terephthalate)"라는 명칭의 미국 가출원 일련 번호 62/190,193에 대한 이익 및 우선권을 주장한다.This application claims the benefit of U.S. Patent Application No. 15 / 203,668, filed July 6, 2016, and U.S. Patent Application Serial No. 15 / 073,477, filed March 17, 2016, US Provisional Serial No. 62 / 134,482 entitled " Injected Molded Poly (Ethylene Terephthalate) -Graphene Nanocomposites ", filed July 8, 2015, US Provisional Application Serial No. 62 / 190,193 entitled " Graphene Reinforced Polyethylene Terephthalate ".
분야Field
본 개시내용의 분야는 일반적으로 중합체 복합체에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명의 분야는 그래핀 보강된 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 위한 조성물 및 방법에 관한 것이다.The field of the present disclosure generally relates to polymer composites. More particularly, the field of the invention relates to compositions and methods for graphene reinforced polyethylene terephthalate.
복합체는 다중상 재료로서 정의되며, 이는 자연에서 발견되거나 또는 합성될 수 있다. 합성된 복합체는 전형적으로, 개별적으로는 이용가능하지 않은 특성을 달성하기 위해 하나 이상의 재료를 사용하여 배합된다. 복합체는 보강재와 같은 분산된 상 및 연속 매트릭스의 유형에 기반하여 분류될 수 있다. 구성성분 상, 주로 분산된 상 중 하나가 1-100 나노미터 정도의 적어도 하나의 치수를 갖는 복합체 재료를 "나노복합체"라 지칭한다. 나노복합체는 나노규모 보강재의 기하구조뿐만 아니라 카테고리 (예를 들어, 유기 또는 무기)에 기반하여 추가로 분류될 수 있다. 천연 나노복합체의 소수의 널리 공지된 예는 인간 뼈, 조개껍질, 거미줄, 및 갑주 어류를 포함한다. 이해되는 바와 같이, 각각의 이들 재료는 구조 계층 (다중 길이 규모의 구조)을 포함하며, 이로써 유사한 화학의 다른 재료와 비교하여 이례적으로 잘 기능하게 된다.Composites are defined as multiphasic materials, which can be found in nature or synthesized. The synthesized composites are typically compounded using one or more materials to achieve properties that are not individually available. The composite can be classified based on the type of dispersed phase and continuous matrix, such as stiffeners. On the constituent, a composite material in which one of the predominantly dispersed phases has at least one dimension on the order of 1-100 nanometers is referred to as "nanocomposite ". Nanocomposites can be further classified based on the category (eg, organic or inorganic) as well as the geometry of nanoscale reinforcements. A few well-known examples of natural nanocomposites include human bones, shells, webs, and armored fish. As will be appreciated, each of these materials includes a structural layer (a structure of a multi-length scale), thereby making it exceptionally well functioning as compared to other materials of similar chemistry.
복합체의 재료 특성은 매트릭스와 분산된 보강재 간의 상호작용에 의존적인 것으로 공지되어 있다. 나노규모의 단위 부피당 큰 표면적으로 인해 일반적으로 나노재료는 그의 벌크 대응물과는 상이하게 기능한다. 매트릭스와 분산된 상 간의 증가된 상호작용으로 나노복합체는 통상의 복합체보다 비교적 더 우수한 것으로 간주되며, 유리하게는 기존의 유익한 특성, 예컨대 강도 또는 내구성을 희생시키지 않고 새로운 특성을 제공한다.The material properties of the composite are known to be dependent on the interaction between the matrix and the dispersed stiffener. Because of the large surface area per unit volume of nanoscale, nanomaterials generally function differently from their bulk counterparts. Due to the increased interaction between the matrix and the dispersed phase, nanocomposites are considered to be relatively better than conventional composites and advantageously provide new properties without sacrificing existing beneficial properties, such as strength or durability.
폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)는 1940년대 초기에 합성된 방향족 반결정질 열가소성 폴리에스테르이다. PET는 그의 강도 및 인성, 높은 유리 전이점 및 융점, 내화학성, 및 광학 특성에 대해 널리 공지되어 있다. PET는 또한 비교적 저렴하기 때문에 상품 및 엔지니어링 적용을 위해 흔히 사용된다. PET는, 종방향 신장되면 높은 분자 쇄 배향을 갖는 강한 섬유를 형성하고 또한 이축 신장되면 강한 필름을 형성하는 마이크로구조를 특징으로 한다. 선형 PET는 특성상 반결정질이다. 열적 및 기계적 이력, 예컨대 냉각 및 신장 속도는 각각 PET를 비결정질 또는 보다 결정질이도록 유도하여, 그의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다. PET는 섬유, 패키징, 여과 및 열성형 산업과 같은 산업에서 사용되지만, PBT, PTN 등과 같은 다른 폴리에스테르와 비교할 때 느린 결정화 속도 및 제한된 배리어 성능으로 인해 PET 사용이 제약된다.Polyethylene terephthalate (PET) is an aromatic semi-crystalline thermoplastic polyester synthesized in the early 1940s. PET is well known for its strength and toughness, high glass transition temperature and melting point, chemical resistance, and optical properties. PET is also commonly used for commodity and engineering applications because it is also relatively inexpensive. PET is characterized by microstructures that form strong fibers with high molecular chain orientations when stretched in the longitudinal direction and also form strong films upon biaxial elongation. Linear PET is semicrystalline in nature. The thermal and mechanical history, such as cooling and elongation rates, can lead to PET to be amorphous or more crystalline, respectively, and affect its mechanical properties. PET is used in industries such as the textile, packaging, filtration and thermoforming industries, but limits its use due to its slow crystallization rate and limited barrier performance as compared to other polyesters such as PBT, PTN and the like.
이해되는 바와 같이, 패키징, 자동차 및 항공우주와 같은 광범위한 산업에 걸쳐 사용되는 경량 재료를 개발할 필요성을 오랫동안 느껴왔으므로, 보강재의 첨가 및 재료 가공의 보다 우수한 제어를 통해 재료 특성을 개선시키려는 시도가 촉진되었다. 예를 들어, PET의 결정화도를 증가시키면 그의 기계적 및 배리어 특성이 개선된다. 그러나, 신장 공정, 및 냉각 속도, 사이클 시간과 같은 결정화도를 최대화하는데 있어서의 산업적 공정에 의한 제한, 및 결정화 속도와 같은 재료에 의한 제한으로 인해, PET의 재료 특성을 개선시키려는 시도가 한정되었다. 그러나, 나노재료 분야에서의 진척은 PET의 물리적 특성을 개선시킨 PET 나노복합체의 개발로 이어져, PET가 자동차, 항공우주 및 보호 의복 산업 내에서의 적용에 보다 효과적이도록 하였다. 상이한 유형의 나노보강재 (점토, CNF, CNT, 그래핀, SiO2 등)는 PET의 기계적 특성, 열적 특성, 배리어 특성, 전기 특성, 난연성, 광학 특성, 표면 특성, 결정화 반응속도 등과 같은 PET의 재료 특성을 개선시키는 것으로 밝혀졌다.As has been appreciated, since we have long felt the need to develop lightweight materials for use in a wide range of industries, such as packaging, automotive and aerospace, we are encouraging attempts to improve material properties through better control of the addition of reinforcements and material processing . For example, increasing the crystallinity of PET improves its mechanical and barrier properties. However, attempts have been made to improve the material properties of PET, due to stretching processes, and limitations due to industrial processes in maximizing crystallinity, such as cooling rate, cycle time, and by materials such as crystallization rate. However, advances in the nanomaterials field have led to the development of PET nanocomposites that improve the physical properties of PET, making it more effective for applications in the automotive, aerospace and protective apparel industries. Different types of nano-reinforcing materials (clay, CNF, CNT, graphene, SiO 2, etc.) can be made of PET materials such as PET's mechanical properties, thermal properties, barrier properties, electrical properties, flame retardancy, optical properties, surface properties, Lt; / RTI >
개별 엔티티 내로의 나노보강재의 박락 및 중합체 매트릭스 내로의 그의 균일한 분산은 중합체 나노복합체의 성공에 필수적이다. 중합체 중의 나노보강재의 균일한 분산은 나노보강재의 용융-배합, 계내 중합, 표면 처리 등을 포함하나 이에 제한되지는 않는 다양한 접근법에 의해 달성될 수 있다. 탄소 나노재료, 예컨대 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브 (CNT) 및 그래핀은 일반적으로 그의 우수한 재료 특성 및 단순한 화학으로 인해 유리하다. 중합체 내로의 탄소 나노재료의 분산을 통해 여러가지 특성 개선이 달성될 수 있다.The release of nanostructures into individual entities and their uniform dispersion into the polymer matrix is essential for the success of polymeric nanocomposites. The uniform dispersion of the nanostructures in the polymer can be achieved by a variety of approaches including, but not limited to, melt-blending, in-situ polymerization, surface treatment, etc. of the nanostructures. Carbon nanomaterials such as carbon nanofibers, carbon nanotubes (CNTs) and graphenes are generally advantageous due to their excellent material properties and simple chemistry. Various characterization improvements can be achieved through dispersion of the carbon nanomaterial into the polymer.
그래핀은 지핑되지 않은 단일벽 탄소 나노튜브와 유사한 단층의 탄소 원자를 포함하는 비교적 신규한 나노재료이다. 단층 그래핀은 일반적으로 중합체를 보강하는데 있어서 CNT보다 2배 정도 효과적인데, 이는 그래핀이 중합체 상호작용을 위한 표면을 2개 갖는 반면, CNT는 중합체 상호작용을 위한 외부 표면을 단지 1개만 포함하기 때문이다. 신규한 그래핀-기반 나노재료, 예컨대 그래핀 옥시드, 팽창 흑연, 및 그래핀 나노소판의 도입과 함께 그래핀 합성 방법의 개발로 인해 그래핀이 상용화 가능하게 되었음을 이해할 것이다. 그러나, 그래핀-기반 나노재료의 유효성에 대한 제한된 정보로 인해, 중합체 나노복합체를 제조하는데 있어서 그의 적용이 제한된다. 따라서, 중합체를 보강하는데 그래핀 나노재료의 영향을 조사할 필요가 있다.Graphene is a relatively new nanomaterial that contains a single layer of carbon atoms similar to non-jiped single-walled carbon nanotubes. Single layer graphenes are generally twice as effective as CNTs in reinforcing polymers because graphene has two surfaces for polymer interaction whereas CNT contains only one outer surface for polymer interaction Because. It will be appreciated that graphene has become commercially viable due to the development of graphene synthesis methods with the introduction of novel graphene-based nanomaterials such as graphene oxide, expanded graphite, and graphene nano-sopan. However, due to limited information on the effectiveness of graphene-based nanomaterials, its application in producing polymer nanocomposites is limited. Therefore, it is necessary to investigate the influence of the graphene nanomaterial on reinforcing the polymer.
용융-배합 및 계내 중합은 PET-그래핀 나노복합체를 제조하는데 있어서 가장 많이 연구된 기술이었다. 계내 중합은 그래핀을 분산시키는데 효과적이지만, 목적하는 분자량 달성의 어려움 및 고가의 반응기의 필요성으로 인해 계내 중합의 사용이 제한된다. 용융-배합은 전단 혼합을 수반하는 직접적인 접근법이나, 그것 단독으로는 시험한 여러 중합체 시스템에서 그래핀을 분산시키는데 있어서 효과적인 것으로 밝혀지지 않았다. 이해되는 바와 같이, PET 중의 나노소판의 균질 분산을 달성하는 것은 벌크 특성을 개선시키는데 중요하다. 그러나, PET는 일반적으로 260℃ - 280℃의 용융 온도와 함께 고도로 점성 (500 - 1000 Pas)이기 때문에, PET 중에 그래핀을 분산시키는 것은 단순하지 않다. 따라서, 고점성 재료에 대한 고온에서의 작업을 가능케할 수 있는 공정을 선택하는 것이 필요하다.Melting-compounding and in-situ polymerization were the most studied techniques in the production of PET-graphene nanocomposites. Intramolecular polymerization is effective for dispersing graphenes, but limits the use of intramolecular polymerization due to the difficulty of achieving the desired molecular weight and the need for expensive reactors. Melting-blending has not been found to be a direct approach involving shear mixing, but alone it is effective in dispersing graphene in various polymer systems tested. As will be appreciated, achieving homogeneous dispersion of nanosplanin in PET is important for improving bulk properties. However, it is not simple to disperse graphene in PET since PET is generally highly viscous (500 - 1000 Pas) with a melting temperature of 260 ° C to 280 ° C. Therefore, it is necessary to select a process that can enable work at high temperatures for high viscosity materials.
중합체 나노복합체 적용의 구현을 위한 또 다른 중요한 측면은, 제조 공정 설계에 융통성을 제공하고 개발 비용을 감소시키기 위해 그의 재료 특성을 예측하는 능력이다. 통상적인 복합체 모델은 나노복합체의 특성을 예측하는데 있어서 정확하지 않다. 연속체 이론에 기반한 마이크로기계 모델이 단섬유 복합체를 산정하는데 있어서 효과적인 것으로 밝혀졌지만, 나노복합체에의 이들 모델의 적용가능성을 보고한 연구는 거의 없다.Another important aspect for the implementation of polymeric nanocomposite applications is the ability to predict their material properties in order to provide flexibility in manufacturing process design and to reduce development costs. Conventional composite models are not accurate in predicting the properties of nanocomposites. Although continuum theory-based micromechanical models have been found to be effective in estimating short fiber composites, few studies have reported the applicability of these models to nanocomposites.
따라서, 보강된 벌크 PET를 제공하기 위해 PET 중에 그래핀 나노소판 (GNP)을 균일하게 분산시킬 수 있는 효과적인 방법, 및 보강된 벌크 PET의 재료 특성을 예측할 수 있는 마이크로기계 모델이 필요하다.Therefore, there is a need for an effective way to uniformly disperse graphene nanofibre (GNP) in PET to provide reinforced bulk PET, and a micromechanical model that can predict the material properties of reinforced bulk PET.
도면에는 본 개시내용의 실시양태가 언급되어 있다:
도 1은 본 개시내용에 따라 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 분자 구조를 예시하는 화학식이고;
도 2는 본 개시내용에 따라 입자 계면과 크기 간의 관계를 예시하는 그래프이고;
도 3은 본 개시내용에 따라 상이한 방법을 통해 수득된 그래핀의 특성을 열거하는 표이고;
도 4는 본 개시내용에 따라 탄소 동소체의 고유한 구조를 예시하고;
도 5는 본 개시내용에 따라 PET의 성능을 재가열하는데 사용된 카본 블랙 나노입자를 예시하는 현미경사진이고;
도 6a는 본 개시내용에 따라 그래핀 나노소판의 현미경사진이고;
도 6b는 본 개시내용에 따라 응집체 중의 다중 나노소판의 존재를 제시하는 현미경사진이고;
도 7은 본 개시내용에 따라 나노소판 (xGnP)의 분자 구조를 예시하는 화학식이고;
도 8은 본 개시내용에 따라 PET 및 마스터-배치 펠릿의 특성을 열거하는 표이고;
도 9는 본 개시내용에 따라 초음파 보조 이축-스크류 압출 시스템을 예시하는 개략도이고;
도 10은 본 개시내용에 따라 에틸렌 글리콜-그래핀 나노소판의 제조를 위한 공정을 예시하는 개략도이고;
도 11은 본 개시내용에 따라 에스테르 상호교환 단계를 위한 반응기 장치를 예시하는 개략도이고;
도 12는 본 개시내용에 따라 PET 단량체를 형성하는 디메틸 테레프탈레이트 (DMT)와 에틸렌 글리콜 (EG) 간의 에스테르 상호교환 반응을 예시하는 화학식이고;
도 13은 본 개시내용에 따라 중축합 단계를 위한 반응기 장치를 예시하는 개략도이고;
도 14는 본 개시내용에 따라 단량체로부터 PET 중합체 쇄의 형성을 예시하는 화학식이고;
도 14a는 본 개시내용에 따라 각 중합 배치에 대한 반응 시간 및 메탄올 수율을 열거하는 표이고;
도 15는 본 개시내용에 따라 사출 성형 상용성 인장 시편을 예시하는 단면도이고;
도 16a는 본 개시내용에 따라 세트 B 가공으로부터의 공급 스로트 0.6% 부하 유래의 PET 및 마스터-배치 펠릿 혼합물을 예시하고;
도 16b는 본 개시내용에 따라 0 USM 초음파 처리된 배치에 대한 PET 및 마스터-배치 펠릿 혼합물을 예시하고;
도 16c는 본 개시내용에 따라 사출 성형에 의해 수득된 PET 나노복합체 샘플의 세부사항을 열거하는 표이고;
도 16d는 본 개시내용에 따라 초음파 처리된 마스터-배치로부터의 PET와 나노복합체 간의 공정 압력의 비교를 예시하는 표이고;
도 17a 및 b는 본 개시내용에 따라 0.5% GNP 나노복합체에 대해 관찰된 불량한 혼합의 시각적 신호를 예시하고;
도 18a는 본 개시내용에 따라 동방향-회전 이축 스크류를 갖는 마이크로-컴파운더를 예시하고;
도 18b는 본 개시내용에 따라 마이크로-사출 성형 시스템 및 전달 디바이스를 예시하고;
도 19a는 본 개시내용에 따라 인장 샘플의 제조를 위해 사용된 이중 도그 본 금형을 예시하고;
도 19b는 본 개시내용에 따라 성형된 PET 인장 막대를 예시하고;
도 19c는 본 개시내용에 따라 마이크로-사출 성형 시스템에 의해 제조된 인장 막대에 대한 공정 파라미터를 열거하는 표이고;
도 20은 본 개시내용에 따라 모세관 점도계를 예시하는 개략도이고;
도 21a는 본 개시내용에 따라 나노복합체 인장 막대의 시험을 예시하고;
도 21b는 본 개시내용에 따라 튜브 시험 고정물을 예시하고;
도 21c는 본 개시내용에 따라 튜브 시험을 예시하고;
도 21d는 본 개시내용에 따라 마이크로-사출 성형 시스템으로부터의 인장 막대의 시험을 예시하고;
도 22는 본 개시내용에 따라 평행 판 기하구조 및 중합체 용융물을 예시하는 개략도이고;
도 23은 본 개시내용에 따라 2D X선 회절 프레임이 수반된 기기 기하구조와 관련된 샘플 기하구조를 예시하는 개략도이고;
도 24는 본 개시내용에 따라 나노-단층촬영 및 회절 분석을 위해 수집된 샘플의 위치를 예시하고;
도 25는 본 개시내용에 따라 X선 컴퓨터 단층촬영을 위한 CT 스캐너 및 공정을 예시하는 개략도이고;
도 26은 본 개시내용에 따라 PET 및 PET 나노복합체 펠릿의 중량 평균 분자량을 예시하는 그래프이고;
도 27은 본 개시내용에 따라 PET 및 초음파 처리된 PET에 대해 측정된 고유 점도를 예시하는 그래프이고;
도 28은 본 개시내용에 따라 PET 및 PET 나노복합체에 대한 고유 점도의 비교를 예시하는 그래프이고;
도 29는 본 개시내용에 따라 계내 중합에 의해 수득된 펠릿의 점도를 예시하는 그래프이고;
도 30은 본 개시내용에 따라 PET 및 PET-GNP 나노복합체에 대한 엔지니어링 응력-변형률 곡선을 예시하는 그래프이고;
도 31은 본 개시내용에 따라 나노복합체 인장 막대의 영 모듈러스 및 인장 강도를 예시하는 그래프이고;
도 32a는 본 개시내용에 따라 PET 인장 막대를 예시하고;
도 32b는 본 개시내용에 따라 시험 후의 PET-15% GNP 인장 막대를 예시하고;
도 32c는 본 개시내용에 따라 PET-GNP 인장 튜브 신장 및 취성 파손을 예시하고;
도 33은 본 개시내용에 따라 PET 및 나노복합체 인장 튜브의 모듈러스 및 인장 강도를 예시하는 그래프이고;
도 34는 본 개시내용에 따라 인장 막대와 비교한 나노복합체 인장 튜브의 엔지니어링 응력-변형률 곡선을 예시하는 그래프이고;
도 35는 본 개시내용에 따라 PET 대조군과 비교한 초음파 처리된 PET의 영 모듈러스 및 인장 강도를 예시하는 그래프 (수평 축 - 초음파 진폭)이고;
도 36은 본 개시내용에 따라 PET 대조군과 비교한 초음파 처리된 PET의 극한 인장 강도를 예시하는 그래프 (수평 축 - 초음파 진폭)이고;
도 37은 본 개시내용에 따라 2% GNP를 갖는 초음파 처리된 나노복합체의 모듈러스 및 강도를 예시하는 그래프이고;
도 38은 본 개시내용에 따라 PET 대조군 및 이축-스크류 배합된 나노복합체와 비교한 5% GNP를 갖는 초음파 처리된 나노복합체의 모듈러스 및 강도를 예시하는 그래프이고;
도 39는 본 개시내용에 따라 계내 중합된 PET 및 나노복합체에 대한 영 모듈러스 및 강도 데이터를 예시하는 그래프이고;
도 39a는 본 개시내용에 따라 나노복합체 인장 막대에 대한 인장 강도 및 비강도를 열거하는 표이고;
도 39b는 본 개시내용에 따라 나노복합체 인장 튜브에 대한 인장 강도 및 비강도를 열거하는 표이고;
도 39c는 본 개시내용에 따라 초음파 마스터-배치로부터의 나노복합체 튜브의 인장 강도 및 비강도를 열거하는 표이고;
도 40a는 본 개시내용에 따라 5% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체 인장 막대의 파열 표면 상의 공극을 예시하는 현미경사진이고;
도 40b는 본 개시내용에 따라 10% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체 인장 막대의 파열 표면 상의 공극 및 크랙 개시 지점을 예시하는 현미경사진이고;
도 41a는 본 개시내용에 따라 "연성 파열"의 신호를 제시하는 강조 영역을 갖는 2% 나노복합체 인장 튜브의 파열 표면을 예시하는 현미경사진이고;
도 41b는 본 개시내용에 따라 도 41a의 강조 영역 내 연신으로부터 형성된 마이크로 피브릴의 파손을 예시하는 현미경사진이고;
도 42a는 본 개시내용에 따라 2% 중량 분율에서의 나노복합체 인장 막대 파손 표면을 예시하는 현미경사진이고;
도 42b는 본 개시내용에 따라 5% 중량 분율에서의 나노복합체 인장 막대 파손 표면을 예시하는 현미경사진이고;
도 42c는 본 개시내용에 따라 10% 중량 분율에서의 나노복합체 인장 막대 파손 표면을 예시하는 현미경사진이고;
도 42d는 본 개시내용에 따라 15% 중량 분율에서의 나노복합체 인장 막대 파손 표면을 예시하는 현미경사진이고;
도 43은 본 개시내용에 따라 PET 및 PET 나노복합체 인장 막대의 초음파 현미경사진을 예시하며, 여기서 화살표는 사출 흐름 방향을 가리키고;
도 44는 본 개시내용에 따라 0.5℃의 온도 측정에 대한 오차 하에, GNP 중량 분율 대 유리 전이 온도 (Tg), 용융 온도 (Tm) 및 결정화 온도 (Tc)를 예시하는 그래프이고;
도 45는 본 개시내용에 따라 0.05 min 내로 측정된 PET 나노복합체의 결정화 반감기를 예시하는 좌측 그래프, 및 PET 나노복합체의 퍼센트 결정화도를 예시하는 우측 그래프를 포함하고;
도 46은 본 개시내용에 따라 PET 및 이축-스크류 배합된 PET 나노복합체 펠릿에 대한 결정화 발열을 예시하는 그래프이고;
도 47은 본 개시내용에 따라 초음파 처리된 PET 및 PET 나노복합체 펠릿에 대한 유리 전이 및 용융 온도를 예시하는 그래프를 포함하고;
도 48은 본 개시내용에 따라 초음파 처리된 PET의 용융 곡선 (제2 열)을 예시하는 그래프이고;
도 49는 본 개시내용에 따라 초음파 처리된 PET 및 PET + 5% GNP 펠릿에 대한 결정화 반감기 (0.05 min 내로 측정됨)를 예시하는 좌측 그래프, 및 초음파 처리된 PET 및 PET + 5% GNP 펠릿에 대한 결정화도를 예시하는 우측 그래프를 포함하고;
도 50은 본 개시내용에 따라 계내 중합된 샘플에 대한 결정화 온도 및 퍼센트 결정화도를 예시하는 그래프를 포함하고;
도 51은 본 개시내용에 따라 각 주파수에 대한 PET 및 PET 나노복합체의 저장 모듈러스를 예시하는 그래프이고;
도 52는 본 개시내용에 따라 전단 모듈러스 대 GNP 중량 분율 및 제안된 퍼콜레이션 역치를 예시하는 그래프이고;
도 53은 본 개시내용에 따라 PET 및 이축-스크류 나노복합체와 비교한 초음파 나노복합체의 저장 모듈러스를 예시하는 그래프이고;
도 54는 본 개시내용에 따라 상이한 PET 샘플에 대한 저장 모듈러스의 동적 스윕을 예시하는 그래프이고;
도 55a는 본 개시내용에 따라 15% 나노복합체의 투과 현미경사진을 예시하고;
도 55b는 본 개시내용에 따라 15% 나노복합체의 투과 현미경사진을 예시하고;
도 56a는 본 개시내용에 따라 소수 층 그래핀을 제시하는 5% 나노복합체의 투과 현미경사진을 예시하고;
도 56b는 본 개시내용에 따라 소수 층 그래핀을 제시하는 5% 나노복합체의 투과 현미경사진을 예시하고;
도 57a는 본 개시내용에 따라 15% PET-GNP 나노복합체의 투과 전자 현미경사진을 예시하고;
도 57b는 본 개시내용에 따라 입자간 거리의 분석에 적합한 이진화 현미경사진이고;
도 58은 본 개시내용에 따라 이론적 경향과 실험 데이터의 비교를 나타내는 파선을 갖는 입자간 거리 대 GNP 중량 분율을 예시하는 그래프이고;
도 59는 본 개시내용에 따라 GNP, PET 및 나노복합체 인장 막대에 대한 X선 회절 패턴을 예시하는 그래프이고;
도 60a는 본 개시내용에 따라 PET 인장 막대의 단면을 따른 X선 회절 주사를 예시하고;
도 60b는 본 개시내용에 따라 도 60a의 라인 회절 주사의 X선 회절 패턴을 예시하는 그래프이고;
도 61은 본 개시내용에 따라 3-mm 두께의 15% 나노복합체 인장 막대 내 다수의 깊이에서의 X선 회절 패턴을 예시하는 그래프이고;
도 62a는 본 개시내용에 따라 240 μm × 240 μm × 163 μm의 경계 크기를 갖는 15% 나노복합체의 재구축된 3D 부피를 예시하고;
도 62b는 본 개시내용에 따라 사출 흐름 방향 (Z-축)에 따른 소판의 배향을 가리키는 도 62a의 나노복합체 내 나노소판을 예시하고;
도 63a는 본 개시내용에 따라 회전 핀 상에 탑재된 샘플을 예시하며, 여기서 크로스 마크는 사출 흐름 방향을 가리키고;
도 63b는 본 개시내용에 따라 2% 나노복합체 인장 튜브의 에지 내부로부터의 나노소판의 분포를 예시하고;
도 64는 본 개시내용에 따라 PET 및 PET 나노복합체에 대한 C-C 신장에 상응하는 라만 밴드를 예시하는 그래프이고;
도 65는 본 개시내용에 따라 GNP 중량 분율의 증가에 따른 C-C 신장에 상응하는 라만 밴드 내 이동을 예시하는 그래프이고;
도 66은 본 개시내용에 따라 실험 결과와 비교할 때 PET-그래핀 나노복합체의 예측 모듈러스를 예시하는 그래프이고;
도 66a는 본 개시내용에 따라 마이크로기계 모델 기반 예측에 대한 GNP 및 PET의 특성을 열거하는 표이고;
도 67은 본 개시내용에 따라 나노복합체 실험 거동과 이론적 예측의 비교를 예시하는 그래프이며, 여기서 Em은 매트릭스 모듈러스이고, Er은 GNP 모듈러스이며, Af는 종횡비 (직경/두께)이고;
도 68은 본 개시내용에 따라 PET 대조군과 비교한 초음파 처리된 PET에 대한 하중 연장 곡선을 예시하는 그래프이고;
도 69a 및 b는 본 개시내용에 따라 중합체 매트릭스에 영향을 미치는 동일한 크기의 나노소판의 배가를 예시하는 개략도이고;
도 70은 본 개시내용에 따라 GNP 중량 분율에 대한 탄성 인장 모듈러스의 증가를 예시하는 그래프이고;
도 71은 본 개시내용에 따라 나노복합체 인장 막대에 대한 응력-변형률 곡선의 탄성 영역을 예시하는 그래프이며;
도 72는 본 개시내용에 따라 초음파 처리를 사용하거나 사용하지 않은 PET-GNP 나노복합체에 대한 영 모듈러스의 비교를 예시하는 그래프이다.
본 개시내용에 대해 다양한 변경 및 대안적 형태가 적용되지만, 그의 구체적인 실시양태가 도면에 예로서 제시된 바 있고, 본원에 상세히 기재될 것이다. 본 발명은 개시된 특정 형태로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 하며, 오히려 본 개시내용의 취지 및 범주에 속하는 모든 변경, 등가물 및 대안을 커버하도록 의도된다.In the drawings, reference is made to the embodiments of the present disclosure:
1 is a chemical formula illustrating the molecular structure of polyethylene terephthalate in accordance with the present disclosure;
Figure 2 is a graph illustrating the relationship between particle interface and size in accordance with the present disclosure;
Figure 3 is a table listing properties of graphene obtained through different methods in accordance with the present disclosure;
Figure 4 illustrates the unique structure of a carbon allotrope according to this disclosure;
Figure 5 is a micrograph illustrating carbon black nanoparticles used to reheat PET performance in accordance with the present disclosure;
Figure 6a is a micrograph of graphene nanosplane in accordance with the present disclosure;
Figure 6b is a micrograph illustrating the presence of multiple nano-platelet aggregates in accordance with the present disclosure;
Figure 7 is a chemical formula illustrating the molecular structure of nanosplan (xGnP) according to the present disclosure;
Figure 8 is a table listing properties of PET and master-batch pellets in accordance with the present disclosure;
9 is a schematic diagram illustrating an ultrasonic assisted biaxial-screw extrusion system in accordance with the present disclosure;
10 is a schematic diagram illustrating a process for the preparation of an ethylene glycol-graphene nano platelet according to the present disclosure;
11 is a schematic diagram illustrating a reactor apparatus for an ester interchange step in accordance with the present disclosure;
12 is a chemical formula illustrating the ester interchange reaction between dimethyl terephthalate (DMT) and ethylene glycol (EG) to form a PET monomer in accordance with the present disclosure;
13 is a schematic diagram illustrating a reactor apparatus for a polycondensation step in accordance with the present disclosure;
14 is a chemical formula illustrating the formation of a PET polymer chain from a monomer according to the disclosure;
14A is a table listing reaction time and methanol yield for each polymerization batch in accordance with the present disclosure;
15 is a cross-sectional view illustrating an injection molded compatible tensile specimen in accordance with the present disclosure;
Figure 16A illustrates PET and master-batch pellet blend from a feed throat 0.6% load from set B machining according to this disclosure;
Figure 16B illustrates a PET and master-batch pellet mix for a 0 USM sonicated batch in accordance with the present disclosure;
Figure 16c is a table listing details of PET nanocomposite samples obtained by injection molding in accordance with the present disclosure;
16D is a table illustrating a comparison of process pressures between PET and nanocomposites from an ultrasound master-batch in accordance with the present disclosure;
Figures 17A and B illustrate visual signals of poor mixing observed for 0.5% GNP nanocomposites in accordance with the present disclosure;
Figure 18A illustrates a micro-composer with a co-rotating biaxial screw according to the present disclosure;
Figure 18b illustrates a micro-injection molding system and delivery device in accordance with the present disclosure;
Figure 19A illustrates a double dog bone mold used for the manufacture of a tensile sample in accordance with the present disclosure;
Figure 19b illustrates a PET tensile rod molded according to the present disclosure;
Figure 19c is a table listing process parameters for a tensile rod made by a micro-injection molding system in accordance with the present disclosure;
20 is a schematic diagram illustrating a capillary viscometer in accordance with the present disclosure;
Figure 21A illustrates testing of nanocomposite tensile rods in accordance with the present disclosure;
Figure 21b illustrates a tube test fixture in accordance with the present disclosure;
Figure 21c illustrates a tube test in accordance with the present disclosure;
Figure 21d illustrates testing of a tension bar from a micro-injection molding system in accordance with the present disclosure;
Figure 22 is a schematic diagram illustrating a parallel plate geometry and polymer melt in accordance with the present disclosure;
Figure 23 is a schematic diagram illustrating a sample geometry associated with a device geometry involving a 2D X-ray diffraction frame in accordance with the present disclosure;
Figure 24 illustrates the location of samples collected for nano-tomography and diffraction analysis in accordance with the present disclosure;
25 is a schematic diagram illustrating a CT scanner and process for X-ray computed tomography in accordance with the present disclosure;
26 is a graph illustrating the weight average molecular weight of PET and PET nanocomposite pellets in accordance with the present disclosure;
Figure 27 is a graph illustrating intrinsic viscosity measured for PET and ultrasound treated PET in accordance with the present disclosure;
28 is a graph illustrating a comparison of intrinsic viscosities for PET and PET nanocomposites in accordance with the present disclosure;
29 is a graph illustrating the viscosity of a pellet obtained by in situ polymerization according to the present disclosure;
Figure 30 is a graph illustrating engineering stress-strain curves for PET and PET-GNP nanocomposites in accordance with the present disclosure;
31 is a graph illustrating the zero modulus and tensile strength of the nanocomposite tensile rods in accordance with the present disclosure;
Figure 32A illustrates a PET tensile rod in accordance with the present disclosure;
Figure 32b illustrates a PET-15% GNP tensile bar after testing in accordance with the present disclosure;
Figure 32C illustrates PET-GNP tensile tube elongation and brittle fracture in accordance with the present disclosure;
33 is a graph illustrating the modulus and tensile strength of PET and nanocomposite tensile tubes in accordance with the present disclosure;
34 is a graph illustrating an engineering stress-strain curve of a nanocomposite tensile tube compared to a tensile rod in accordance with the present disclosure;
35 is a graph (horizontal axis-ultrasound amplitude) illustrating the Young's modulus and tensile strength of the sonicated PET compared to the PET control in accordance with the present disclosure;
Figure 36 is a graph (horizontal axis-ultrasonic amplitude) illustrating the ultimate tensile strength of the sonicated PET compared to a PET control in accordance with the present disclosure;
37 is a graph illustrating the modulus and strength of an ultrasonicated nanocomposite with 2% GNP in accordance with the present disclosure;
Figure 38 is a graph illustrating the modulus and strength of an ultrasonicated nanocomposite with 5% GNP compared to a PET control and biaxial-screw-blended nanocomposite according to the present disclosure;
Figure 39 is a graph illustrating zero-modulus and intensity data for in situ polymerized PET and nanocomposites in accordance with the present disclosure;
39A is a table listing tensile strength and non-tensile strength for nanocomposite tensile rods in accordance with the present disclosure;
Figure 39b is a table listing the tensile and non-tensile strengths for nanocomposite tensile tubes in accordance with the present disclosure;
39c is a table listing the tensile strength and the intrinsic strength of a nanocomposite tube from an ultrasonic master-batch in accordance with the present disclosure;
40A is a micrograph illustrating voids on the rupture surface of a nanocomposite tensile rod with a 5% GNP weight fraction in accordance with the present disclosure;
40B is a micrograph illustrating voids and crack initiation sites on the burst surface of a nanocomposite tensile rod with a 10% GNP weight fraction in accordance with the present disclosure;
41A is a micrograph illustrating a burst surface of a 2% nanocomposite tensile tube having an enhancement region presenting a signal of "soft burst" in accordance with the present disclosure;
FIG. 41B is a micrograph illustrating the breakage of a microfibril formed from the in-emphasis stretch of FIG. 41A in accordance with the present disclosure; FIG.
Figure 42A is a micrograph illustrating a nanocomposite tensile bar failure surface at 2% weight fraction in accordance with the present disclosure;
Figure 42b is a micrograph illustrating nanocomposite tensile bar failure surfaces at 5% weight fraction according to this disclosure;
42c is a micrograph illustrating a nanocomposite tensile bar failure surface at 10% weight fraction in accordance with the present disclosure;
42D is a micrograph illustrating a nanocomposite tensile bar failure surface at 15% weight fraction according to the present disclosure;
43 illustrates an ultrasonic micrograph of a PET and PET nanocomposite tensile rod in accordance with the present disclosure, wherein the arrows indicate the direction of injection flow;
Figure 44 is a graph illustrating the GNP weight fraction to glass transition temperature (T g ), melting temperature (T m ) and crystallization temperature (T c ) under an error for temperature measurement of 0.5 ° C in accordance with the present disclosure;
Figure 45 includes a left graph illustrating the crystallization half-life of a PET nanocomposite measured in 0.05 min in accordance with the present disclosure, and a right graph illustrating percent crystallinity of a PET nanocomposite;
46 is a graph illustrating crystallization exotherms for PET and biaxially-screw-blended PET nanocomposite pellets in accordance with the present disclosure;
Figure 47 includes a graph illustrating glass transition and melting temperatures for ultrasound treated PET and PET nanocomposite pellets in accordance with the present disclosure;
Figure 48 is a graph illustrating the melting curve (second column) of ultrasonically treated PET in accordance with the present disclosure;
Figure 49 shows the left graph illustrating the crystallization half-life (measured in 0.05 min) for sonicated PET and PET + 5% GNP pellets in accordance with the present disclosure, and for the sonicated PET and PET + 5% GNP pellets A right graph illustrating crystallinity;
Figure 50 includes a graph illustrating the crystallization temperature and percent crystallinity for a sample polymerized in situ in accordance with the present disclosure;
51 is a graph illustrating the storage modulus of PET and PET nanocomposites for each frequency in accordance with the present disclosure;
52 is a graph illustrating shear modulus versus GNP weight fraction and proposed percolation threshold in accordance with the present disclosure;
53 is a graph illustrating the storage modulus of an ultrasonic nanocomposite as compared to PET and biaxial-screw nanocomposites in accordance with the present disclosure;
54 is a graph illustrating dynamic sweep of storage modulus for different PET samples in accordance with the present disclosure;
55A illustrates a transmission micrograph of a 15% nanocomposite in accordance with the present disclosure;
Figure 55b illustrates a transmission microscope photograph of a 15% nanocomposite in accordance with the present disclosure;
Figure 56A illustrates a transmission microscope photograph of a 5% nanocomposite presenting minority layer graphene in accordance with the present disclosure;
Figure 56b illustrates a transmission microscope photograph of a 5% nanocomposite presenting minority layer graphene in accordance with the present disclosure;
Figure 57a illustrates a transmission electron micrograph of a 15% PET-GNP nanocomposite in accordance with the present disclosure;
57B is a photograph of a binarized microscope suitable for analysis of interparticle distance in accordance with the present disclosure;
58 is a graph illustrating intergranular distance versus GNP weight fraction with dashed lines representing a comparison of theoretical trends and experimental data in accordance with the present disclosure;
Figure 59 is a graph illustrating an X-ray diffraction pattern for GNP, PET and nanocomposite tensile rods according to the present disclosure;
60A illustrates an X-ray diffraction scan along a cross-section of a PET tensile rod in accordance with the present disclosure;
FIG. 60B is a graph illustrating the X-ray diffraction pattern of the line diffraction scan of FIG. 60A according to the present disclosure; FIG.
61 is a graph illustrating an X-ray diffraction pattern at multiple depths in a 3-mm thick 15% nanocomposite tensile rod in accordance with the present disclosure;
62A illustrates a reconstructed 3D volume of a 15% nanocomposite with a boundary size of 240 μm × 240 μm × 163 μm according to the present disclosure;
62B illustrates a nano-platelet in the nanocomposite of FIG. 62A indicating the orientation of the platelet along the direction of injection (Z-axis) in accordance with the present disclosure;
63A illustrates a sample mounted on a rotating pin in accordance with the present disclosure, wherein the cross mark indicates an injection flow direction;
63B illustrates the distribution of nanosplan from within the edge of a 2% nanocomposite tensile tube in accordance with the present disclosure;
Figure 64 is a graph illustrating Raman bands corresponding to CC stretching for PET and PET nanocomposites in accordance with the present disclosure;
65 is a graph illustrating movement in the Raman band corresponding to CC stretch with increasing GNP weight fraction in accordance with the present disclosure;
66 is a graph illustrating the predictive modulus of a PET-graphene nanocomposite as compared to experimental results in accordance with the present disclosure;
66A is a table listing characteristics of GNP and PET for micromechanical model based prediction in accordance with the present disclosure;
67 is a graph illustrating a comparison of nanocomposite experimental behavior and theoretical predictions in accordance with the present disclosure, where E m is a matrix modulus, E r is a GNP modulus, A f is an aspect ratio (diameter / thickness);
68 is a graph illustrating the load extension curve for ultrasound PET compared to a PET control in accordance with the present disclosure;
Figures 69a and b are schematic diagrams illustrating doubling of the same size nano-platelet affecting the polymer matrix in accordance with the present disclosure;
Figure 70 is a graph illustrating the increase in elastic tensile modulus versus GNP weight fraction in accordance with the present disclosure;
71 is a graph illustrating the elastic region of the stress-strain curve for a nanocomposite tensile rod in accordance with the present disclosure;
72 is a graph illustrating a comparison of the Young's modulus for PET-GNP nanocomposites with and without ultrasound treatment in accordance with the present disclosure;
While various changes and alternative forms are known to the teachings herein, specific embodiments thereof have been shown by way of example in the drawings and will be described in detail herein. It is intended that the invention not be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, the intention is to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the disclosure.
하기 설명에서, 본 개시내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 구체적인 세부사항이 기술된다. 그러나, 본원에 개시된 발명이 이들 구체적인 세부사항 없이 실시될 수 있음은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 어떤 경우, "제1 공정"과 같은 구체적인 수치가 언급될 수 있다. 그러나, 구체적인 수치 언급은 문자 그대로의 순차적 순서로서 해석되어서는 안되며, 오히려 "제1 공정"이 "제2 공정"과 상이한 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 기술된 구체적인 세부사항은 단지 일례이다. 구체적인 세부사항은 본 개시내용의 취지 및 범주로부터 다양할 수 있고, 여전히 그 내에 있는 것으로 고려될 수 있다. 용어 "커플링된"은 구성요소에 직접적으로, 또는 구성요소에 또 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결됨을 의미하는 것으로 정의된다. 추가로, 본원에 사용되는 바와 같이, 임의의 수치 값 또는 범위에 대한 용어 "약", "대략" 또는 "실질적으로"는 본원에 기재된 바와 같은 그의 의도되는 목적을 위해 기능하는 구성요소의 일부 또는 집합체를 허용하는 적합한 치수 허용오차를 가리킨다.In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present disclosure. However, it will be apparent to one of ordinary skill in the art that the invention disclosed herein may be practiced without these specific details. In some cases, specific values such as "first process" may be mentioned. It should be understood, however, that specific numerical references should not be interpreted as a literal sequential order, but rather that the "first process" is different from the "second process ". Accordingly, the specific details described are merely exemplary. The specific details may vary and still be considered within the spirit and scope of this disclosure. The term "coupled" is defined as meaning that it is connected directly to the component or indirectly through another component to the component. Additionally, as used herein, the terms " about, "" about, " or "substantially ", to any numerical value or range, refer to a portion of a component functioning for its intended purpose, Indicates an appropriate dimensional tolerance to allow aggregation.
일반적으로, 본 개시내용은 그래핀 보강된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)를 위한 조성물 및 방법을 제공한다. 다층 그래핀을 포함하는 그래핀 나노소판 (GNP)은 PET를 보강하는데 사용되어, 다양한 새로운 적용을 위한 PET의 특성을 개선시킨다. 분산된 그래핀 나노소판과 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 마스터-배치는 배합에 의해 수득된다. 마스터-배치는 0.5% 내지 15% 범위인 중량 분율에서의 PET-GNP 나노복합체를 형성하는데 사용된다. 일부 실시양태에서, PET 및 GNP는 이축-스크류 압출에 의해 용융 배합된다. 일부 실시양태에서, 용융 배합을 보조하기 위해 초음파가 이축-스크류 압출기와 커플링된다. 일부 실시양태에서, PET-GNP 나노복합체는 고속 사출 성형에 의해 제조된다. PET-GNP 나노복합체는 상이한 배합 공정을 대조하기 위해 그의 기계적, 열적 및 유변학적 특성에 의해 비교된다.In general, the present disclosure provides compositions and methods for graphene reinforced polyethylene terephthalate (PET). Graphene nano plastic (GNP), including multilayer graphene, is used to reinforce PET, improving the properties of PET for a variety of new applications. Master-batches comprising dispersed graphene nano platelets and polyethylene terephthalate are obtained by blending. The master-batch is used to form PET-GNP nanocomposites in a weight fraction ranging from 0.5% to 15%. In some embodiments, PET and GNP are melt blended by biaxial-screw extrusion. In some embodiments, ultrasonic waves are coupled with the biaxial-screw extruder to aid in melt compounding. In some embodiments, the PET-GNP nanocomposite is produced by high speed injection molding. PET-GNP nanocomposites are compared by their mechanical, thermal and rheological properties to contrast different compounding processes.
폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)는 방향족 반결정질 폴리에스테르이다. PET는 원료로서 디메틸 테레프탈레이트 (DMT) 및 에틸렌 글리콜 (EG), 또는 테레프탈산 (TPA) 및 에틸렌 글리콜 (EG)을 사용하여 축합 중합을 통해 합성된다. 목적하는 분자량을 달성하고 부산물 (예를 들어, 아세트알데히드)의 형성을 최소화하기 위해, PET 제조 시 다중-단계 중합 공정이 사용된다. PET의 분자 구조는 도 1에 제시되어 있다. 이해되는 바와 같이, 분자 쇄 내 경질 방향족 고리의 존재는 높은 용융 온도 및 유리 전이 온도를 유발할 뿐만 아니라, 중합체를 뻣뻣하게 한다. 추가로, 경질 방향족 고리는 또한, 결정 구조에 있어서 분자에 거의 평면 배열을 제공한다. 물리적 특성 및 화학적 비활성의 조합으로 인해 PET는 섬유, 패키징, 및 엔지니어링 성형과 같은 적용에 적합해진다.Polyethylene terephthalate (PET) is an aromatic semi-crystalline polyester. PET is synthesized through condensation polymerization using dimethyl terephthalate (DMT), ethylene glycol (EG), or terephthalic acid (TPA) and ethylene glycol (EG) as raw materials. In order to achieve the desired molecular weight and minimize the formation of by-products (e.g., acetaldehyde), a multi-step polymerization process is used in the production of PET. The molecular structure of PET is shown in Fig. As will be appreciated, the presence of a rigid aromatic ring in the molecular chain not only causes a high melting temperature and a glass transition temperature, but also stiffens the polymer. In addition, the rigid aromatic rings also provide a nearly planar arrangement in the molecules in the crystal structure. The combination of physical properties and chemical inertness makes PET suitable for applications such as fiber, packaging, and engineering molding.
PET는 결정화 속도 및 배리어 성능의 면에서 제한되지만, PET의 비교적 낮은 가격으로 인해, 충전제 및 보강재를 첨가하여 PET의 재료 특성을 개선시키는데 관심을 두게 된다. 나노재료는 PET를 보강하는 이점을 제공하면서 수득된 복합체 재료의 밀도의 변화를 최소화한다.PET is limited in terms of crystallization speed and barrier performance, but due to the relatively low price of PET, it is of interest to improve the material properties of PET by the addition of fillers and reinforcing materials. The nanomaterial minimizes changes in the density of the resulting composite material while providing the advantage of reinforcing the PET.
나노보강재Nano stiffener
나노보강재는 일반적으로 그의 기하구조에 기반하여 3가지 상이한 군, 즉, 나노입자, 나노튜브 및 나노소판으로 분류된다. 나노보강재는 더 큰 보강재에 비해 유리하다. 입자가 작을수록, 더 큰 대응물과 비교할 때 입자가 매트릭스를 보강하는데 있어서 더 강하고 보다 효과적임을 인지할 것이다. 또 다른 이점은 단위 부피에 대한 유효 표면적이다. 구형 입자의 경우, 예를 들어, 표면적 대 부피의 비는 입자 반경에 반비례한다. 도 2는 크기가 마이크로규모 내지 나노규모의 범위인 상이한 유형의 보강재에 대한 계면의 증가를 예시한다. 도 2에 제시된 바와 같이, 단위 면적당 유효한 표면 에너지는 나노입자의 경우 높을 것이므로, 그것들은 화학적으로 활성이 된다.Nano-stiffeners are generally classified into three different groups based on their geometry: nanoparticles, nanotubes, and nano-small plates. Nano-stiffeners are advantageous over larger stiffeners. It will be appreciated that the smaller the particle, the stronger and more effective the particle is in reinforcing the matrix as compared to the larger counterpart. Another advantage is the effective surface area for the unit volume. In the case of spherical particles, for example, the ratio of surface area to volume is inversely proportional to the particle radius. Figure 2 illustrates the increase in interface for different types of stiffeners whose size ranges from micro-scale to nanoscale. As shown in Fig. 2, the effective surface energy per unit area will be high for nanoparticles, so they are chemically active.
나노보강재의 선택은 사용된 중합체, 의도되는 적용, 목표 특성, 중합체와의 목적하는 형태의 상호작용, 재료 취급 문제, 가공 방법뿐만 아니라 비용과 같은 많은 요인에 좌우됨을 이해할 것이다. 추가로, 나노보강재의 형상은 중합체 나노복합체의 특징에 영향을 미침을 이해할 것이다.It will be appreciated that the choice of nanostructure depends on many factors such as the polymer used, the intended application, the desired properties, the desired form interaction with the polymer, the material handling problem, the processing method as well as the cost. In addition, it will be appreciated that the shape of the nanosubstrate affects the characteristics of the polymer nanocomposite.
나노입자는 그의 화학에 기반하여 유기 또는 무기로서 분류될 수 있다. 유기점토 (MMT), 금속 나노입자 (예를 들어, Al 및 Ag), 금속 산화물 (예를 들어, Al2O3, ZnO 및 실리카), 셀룰로스 나노결정, 및 탄소 유도체 (CNT, 풀러렌, 흑연 산화물, 및 그래핀)와 같은 여러 나노입자가 중합체 나노복합체에서 사용되어 왔다.Nanoparticles can be classified as organic or inorganic based on their chemistry. Metal nanoparticles (e.g., Al and Ag), metal oxides (e.g. Al 2 O 3 , ZnO and silica), cellulose nanocrystals, and carbon derivatives (CNTs, fullerenes, graphite oxides , And graphene) have been used in polymeric nanocomposites.
탄소 나노보강재 및 그래핀Carbon nano stiffeners and graphene
탄소는 그의 구조의 조작 능력 및 고유한 혼성화 특성을 보유하는 흥미로운 주기율표 원소이다. 탄소는 통상적으로 흑연, 비결정질 탄소, 및 다이아몬드의 형태로 여러 산업 및 공정에서의 적용이 발견된다. 나노규모에서, 풀러렌, 탄소 나노튜브 (CNT), 및 그래핀과 같은 도 4에 제시된 바와 같은 탄소 재료가 또한 흥미로우며 고유한 특성 및 구조를 제시한다.Carbon is an interesting periodic table element that possesses the manipulability and inherent hybridization properties of its structure. Carbon is commonly found in various industrial and process applications in the form of graphite, amorphous carbon, and diamond. At the nanoscale, carbon materials such as those shown in Fig. 4, such as fullerenes, carbon nanotubes (CNTs), and graphenes, are interesting and suggest unique properties and structures.
그래핀은 2차원 구조를 갖는 탄소 원자들의 단층 (sp2 혼성화, 0.142 nm의 C-C 결합 거리를 갖는 평면 육각형 배열)으로서 정의된다. 단일 그래핀 시트의 두께는 실질적으로 0.335 nm인 것으로 산정된다. 이용가능한 첫번째 2차원 재료 중 하나인 그래핀은 상이한 적용을 위해 사용되는 많은 현대의 재료를 대체하는 효능을 갖는다. 그래핀 연구 중에, 연구원들은 상이한 그래핀-기반 재료, 예컨대 단층 그래핀 시트 (SLGS), 소수-층 그래핀 (FLG), 다층 그래핀 (MLG), 및 박락된 그래핀 소판 (exfoliated graphene platelet)을 개발한 바 있다.Graphene is defined as a monolayer of carbon atoms with a two-dimensional structure (sp 2 hybridization, plane hexagonal arrangement with a CC coupling distance of 0.142 nm). The thickness of the single graphene sheet is estimated to be substantially 0.335 nm. Graphene, one of the first two-dimensional materials available, has the potential to replace many of the modern materials used for different applications. During graphene research, researchers have found that different graphene-based materials such as single-layer graphene sheets (SLGS), fraction-layer graphene (FLG), multilayer graphene (MLG), and exfoliated graphene platelets .
그래핀은 그의 종횡비, 융통성, 투명성, 열 전도도 및 낮은 열 팽창 계수 (CTE)의 면에서, 다른 탄소-기반 나노보강재, 예컨대 CNT, CNF, 및 팽창 흑연 (EG)보다 우수하다. 단층 그래핀의 밀도는 0.77 mg m-2으로 계산되었다. 그래핀은 인지가능한 크기에서는 가장 강한 재료로서 간주된다. 개방된 홀에 걸쳐 놓인 단층 그래핀 시트에 대해 1.02 ± 0.03 TPa의 영 모듈러스 (4130 스틸의 경우 0.2 TPa) 및 130 ± 10 GPa의 강도 (4130 스틸의 경우 0.7 GPa)가 원자 힘 현미경 (AFM) 나노만입 기술에 의해 측정되었다. 그래핀은 CNT에 필적하는 3000 W mK-1의 매우 높은 열 전도도 (K), 및 0-300 K 온도 범위에서 음의 열 팽창 계수 α = -4.8±1.0 × 10-6 K-1를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 그래핀 시트는 소수성이며 실온에서 46.7 mJ m-2의 표면 에너지를 갖는 것으로 밝혀졌다.Graphene is superior to other carbon-based nano-reinforcing materials such as CNT, CNF, and expanded graphite (EG) in terms of aspect ratio, flexibility, transparency, thermal conductivity and low thermal expansion coefficient (CTE). The density of the single layer graphene was calculated to be 0.77 mg m -2 . Graphene is regarded as the strongest material at the perceptible size. (0.02 TPa for 4130 steel) and a strength of 130 10 GPa (0.7 GPa for 4130 steel) of 1.02 0.03 TPa for an atomic force microscope (AFM) nano It was measured by indentation technique. Graphene exhibits a very high thermal conductivity (K) of 3000 W mK -1 comparable to CNT and a negative thermal expansion coefficient α = -4.8 ± 1.0 × 10 -6 K -1 at a temperature range of 0-300 K It turned out. In addition, the graphene sheet was found to be hydrophobic and have a surface energy of 46.7 mJ m < -2 > at room temperature.
상기 언급된 특성은 고품질 단층 그래핀 시트에 대한 것이다. 다층 그래핀의 특성은 단층 그래핀의 특성과 상이하다. 따라서, 그래핀을 포함하는 층의 수 ("n")는 그래핀의 특성에 영향을 미친다. 단층 그래핀 시트는 최대 97.7% 투명성 (2.3% 흡수성)을 나타내고, 이는 층 수가 증가함에 따라 선형으로 감소한다. 그래핀의 열 전도도는 층 수가 2에서 4로 증가함에 따라 50% 초과만큼 강하되고, 층 수가 8 초과일 때 벌크 흑연에 필적하는 것으로 제시된 바 있다. 추가로, 그래핀 시트의 모듈러스는 온도의 증가와 함께 그리고 13C 동위원소 밀도의 증가와 함께 감소하지만, 층 수의 증가와 함께 증가하는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 다층 그래핀 구조의 구조 역학 기반 원자 모델링, 층들 간의 공유 및 반데르 발스 상호작용의 분자 시뮬레이션, 및 실험 측정은 층 수의 감소와 함께 모듈러스의 감소를 나타냄을 이해할 것이다. 그래핀 나노소판의 기계적 특성, 예컨대 강성도 및 포아송 비는, 분자 역학 시뮬레이션에 기반하여, 층 수의 증가와 함께 감소하는 것으로 제시된 바 있다. 5개의 층을 포함하는 나노소판의 강성도는 단층 그래핀과 비교할 때 15%만큼 감소하는 것으로 산정되었고, 그래핀의 특성은 배향에 기반하여 상이하다. 10개의 층을 포함하는 다층 그래핀의 유효 영 모듈러스는 실질적으로 380 GPa인 것으로 제시된 바 있으며, 이는 흑연 결정의 유효 영 모듈러스보다 더 작다. 유효 영 모듈러스는 다층 그래핀에 있어서 층들 간의 응력 전달 효율에 기반하여 결정된다. 유효 영 모듈러스는 다층 그래핀이 3개 초과의 층 (이 때에 코어 층(들)은 중합체와 접촉하지 않을 것임)일 때 단층 그래핀의 모듈러스에서 벗어난다.The above-mentioned properties are for high quality single-layer graphene sheets. The properties of multi-layer graphenes are different from those of single-layer graphenes. Thus, the number of layers containing graphene ("n") affects the properties of graphene. The single layer graphene sheet exhibits a maximum of 97.7% transparency (2.3% absorbency), which decreases linearly as the number of layers increases. The thermal conductivity of graphene has been shown to fall by more than 50% as the number of layers increases from 2 to 4 and to be comparable to bulk graphite when the number of layers is greater than 8. In addition, the modulus of the graphene sheet decreased with increasing temperature and with increasing 13 C isotope density, but increased with increasing number of layers. However, it will be appreciated that the structural dynamics-based atomic modeling of the multi-layer graphene structure, the molecular simulation of the sharing between layers and van der Waals interactions, and experimental measurements represent a decrease in modulus with a decrease in the number of layers. The mechanical properties such as stiffness and Poisson's ratio of graphene nanofabrication have been shown to decrease with increasing number of layers, based on molecular dynamics simulations. The stiffness of the nanosplane containing five layers was estimated to be reduced by 15% when compared to the single layer graphene, and the properties of the graphenes are different based on the orientation. The effective Young's modulus of multi-layer graphenes comprising ten layers is shown to be substantially 380 GPa, which is less than the effective Young's modulus of the graphite crystal. The effective Young's modulus is determined based on the stress transfer efficiency between the layers in the multi-layer graphene. Effective Young's modulus deviates from the modulus of the single layer graphene when the multi-layer graphene has more than three layers, in which case the core layer (s) will not contact the polymer.
단층 그래핀은 "하향식" 또는 "상향식" 접근법에 의해 수득될 수 있다. 기계적 절단을 통한 흑연으로부터의 그래핀 시트의 분리는 "하향식" 접근법이다. 이 방법으로부터 수득된 그래핀은 깨끗하고 시험 목적에 유용하지만, 유의한 양의 그래핀을 획득하는데 있어서 실용적이지 못하다. 대안적으로, 그래핀은 화학적 방법, 예컨대 화학적 증착 (CVD), 에피택셜 성장뿐만 아니라, 콜로이드성 현탁액을 통한 합성이 사용되는 "상향식" 접근법에 의해 제조될 수 있다. 추가로, 그래핀은 또한 흑연 산화물의 플래쉬 환원으로부터 및 화학적 에칭에 의해 CNT로부터 제조될 수 있다. 그래핀을 수득하는데 사용되는 접근법은 도 3에 제시된 바와 같이 그래핀의 물리적 특성에 영향을 미쳐, 그래핀이 상이한 적용을 목표로 할 수 있게 한다.The single layer graphene can be obtained by a "top-down" or "bottom-up" approach. The separation of graphene sheets from graphite through mechanical cutting is a "top-down" approach. The graphenes obtained from this process are clean and useful for testing purposes, but are not practical for obtaining significant amounts of graphene. Alternatively, graphene can be produced by chemical methods such as chemical vapor deposition (CVD), epitaxial growth as well as a "bottom-up" approach where synthesis via a colloidal suspension is used. In addition, graphene can also be produced from CNTs by flash reduction of graphite oxides and by chemical etching. The approach used to obtain graphene affects the physical properties of graphene as shown in Figure 3, allowing graphene to target different applications.
나노복합체의 가공Processing of nanocomposites
복합체 제조는 최종 생성물의 적용 및 크기에 기반하여 유효한 여러 공정을 이용하여 광범위하게 연구된 분야이다. 나노복합체 가공은 나노보강재의 분산을 위한 공정 및 의도되는 최종 적용을 위한 형성 공정을 수반한다. 나노복합체의 타당성은 비용, 나노입자의 이용성, 및 적합한 제조 공정에 크게 좌우된다. 사출 및 압축 성형, 레이어-바이-레이어(layer-by-layer, LBL) 제조, 계내 마이크로-유화 중합, 및 스피닝과 같은 제조 기술이 중합체 나노복합체를 위해 사용되었다. 이해되는 바와 같이, 제조 공정의 선택은 사용되는 나노입자의 유형 및 매트릭스 수지에 좌우된다. 추가로, 사출 성형은 그의 속도, 확장성, 및 폭넓은 범위의 재료에 대한 허용오차 때문에 모든 플라스틱 가공 기술 중 가장 중요하다고 이해될 것이다. 중합체 중의 나노보강재의 균일한 분산을 달성하기 위해 시도된 방법은 하기 부분에서 논의된다.Composite fabrication has been extensively explored using several processes that are valid based on the application and size of the final product. Nanocomposite processing involves processes for the dispersion of nanostructured materials and for the intended final application. The validity of nanocomposites depends largely on cost, availability of nanoparticles, and suitable manufacturing processes. Manufacturing techniques such as injection and compression molding, layer-by-layer (LBL) fabrication, in-situ micro-emulsion polymerization, and spinning have been used for polymeric nanocomposites. As will be appreciated, the choice of manufacturing process depends on the type of nanoparticles used and the matrix resin. In addition, injection molding will be understood to be the most important of all plastic processing techniques due to its speed, expandability, and tolerances for a wide range of materials. Attempts to achieve uniform dispersion of nanostructures in polymers are discussed in the following section.
나노보강재의 분산Dispersion of nano-stiffeners
나노보강재의 균일 및 균질 분산, 또는 "박락된" 상태를 달성하는 것은 중합체 나노복합체의 성공을 위해 필수적이다. 나노재료는 단위 면적당 높은 표면 에너지를 가져, 그것들은 그러한 에너지를 최소화하기 위해 응집체를 형성하는 경향이 있다. 응집 경향으로 인해, 나노재료를 중합체 매트릭스 내로 분산시키고 나노재료의 나노규모를 효과적인 치수로 유지하는 것이 어렵게 된다. 용융된 중합체 내로의 나노보강재의 분산은 용융물의 점도, 보강재의 습윤도, 혼합 공정을 통해 부여된 에너지, 예컨대 응집체의 파단, 및 혼합 공정의 효율과 같은 요인에 좌우된다. 분산 방법은 폭넓게 기계적-기반 및 화학적-기반으로서 분류될 수 있다. 기계적-기반 카테고리로 용융 배합, 마스터-배치 가공, 초음파-보조 배합, 카오스 이류 블렌딩, 고체-상태 전단 분쇄 (SSSP), 고체 상태 볼 밀링 (SSBM), 및 음향 혼합과 같은 여러 분산 방법이 조사되었다. 이들 분산 방법은 추가로 "용융 혼합" 또는 "고체 상태 혼합"으로서 분류될 수 있다.Achieving uniform and homogeneous dispersion, or "peeled" states, of nanostructures is essential for the success of polymeric nanocomposites. Nanomaterials have high surface energies per unit area, and they tend to form aggregates to minimize such energy. Due to the tendency to aggregate, it becomes difficult to disperse the nanomaterial into the polymer matrix and maintain the nanoscale of the nanomaterial at an effective dimension. The dispersion of the nanostructured material into the molten polymer depends on such factors as the viscosity of the melt, the wettability of the stiffener, the energy imparted through the mixing process, such as the breaking of the aggregates, and the efficiency of the mixing process. The dispersing methods can be broadly classified as mechanical-based and chemically-based. Several methods of dispersion have been investigated in the mechanical-based category such as melt blending, master-batch processing, ultrasonic-assisted blending, chaos advection blending, solid state shear pulverization (SSSP), solid state ball milling (SSBM) . These dispersion methods can further be classified as "melt mixing" or "solid state mixing ".
용융 배합은 열가소성 중합체 중에 나노보강재를 분산시키기 위해 가장 통상적으로 사용되는 기술이다. 본원에 기재된 바와 같이, 나노보강재는 단축 또는 이축-스크류 압출기의 혼합 작용에 의해 용융된 중합체 내로 분산되었다. 고체 상태 전단 분쇄 (SSSP)는 불혼화성 중합체의 블렌딩을 위해 개발된 또 다른 기계적 혼합 기술이다. 그러나, 스크류 혼합 공정 동안 나노소판의 뒤틀림은 그의 유효성을 감소시킬 수 있는 문제이다. 고체 상태 혼합을 수반하는 상기 기재된 몇몇 다른 기술은 SSBM 및 음향 혼합이다. SSBM에서, 나노입자 및 중합체 혼합물은 미세 분말로 밀링된 다음, 2차 공정을 위한 투입물로서 사용된다. 음향 혼합은 고효율 혼합을 위한 혼합 챔버 전반에 걸쳐 균일한 전단장의 발생에 기반한다.Melt blending is the most commonly used technique for dispersing nanostructures in thermoplastic polymers. As described herein, nanostructures were dispersed into the molten polymer by the action of a uniaxial or biaxial-screw extruder. Solid state shear pulverization (SSSP) is another mechanical blending technique developed for the blending of incompatible polymers. However, distortion of the nanosplan during the screw mixing process is a problem that can reduce its effectiveness. Some other techniques described above involving solid state mixing are SSBM and acoustic mixing. In SSBM, the nanoparticles and polymer blend are milled to a fine powder and then used as an input for the secondary process. Acoustic mixing is based on the occurrence of a uniform shear throughout the mixing chamber for high-efficiency mixing.
응집을 방지하는 화학적 접근법은 나노입자의 표면을 개질시키고, 표면을 관능화시키는 것이며, 이는 표면 에너지를 감소시키고 그의 극성을 변화시켜 응집을 방지한다. 관능화를 통해, 나노입자의 표면은 특정 중합체와 상용성인 이온 또는 분자 (즉, 계면활성제)로 피복된다. 모든 중합체는 상이한 화학 및 구조를 갖기 때문에, 올바른 관능화를 선택하는 것이 중요하다.A chemical approach to preventing aggregation is to modify the surface of nanoparticles and to functionalize the surface, which reduces surface energy and changes its polarity to prevent aggregation. Through functionalization, the surface of the nanoparticles is coated with an ion or molecule (i.e., a surfactant) that is compatible with the particular polymer. Since all polymers have different chemistries and structures, it is important to choose the right functionality.
또한, 용매 혼합 기술, 예컨대 졸-겔 가공, 용액 혼합, 초음파 처리, 전단 혼합, 및 고속 혼합이 존재한다. 이들 기술은 주로 열경화성 수지 및 저온 열가소성 물질을 이용하는 작업에 유용하다. 그것들은 주로 회분식 가공을 위한 것이고, 대규모 가공에 있어서 취급 및 컨시스턴시 문제를 제기한다.There are also solvent mixing techniques, such as sol-gel processing, solution mixing, sonication, shear mixing, and high speed mixing. These techniques are mainly useful for work using thermosetting resins and low temperature thermoplastic materials. They are primarily for batch processing and raise handling and consistency issues in large-scale processing.
이축-스크류 압출기에서, 중합체는 전단 변형을 거쳐 2개 회전 스크류와 하우징 사이에서 용융한다. 나노소판이 반데르 발스 힘으로 결합됨에 따라, 그것들은 혼합 동안 전단력의 적용에 의해 분리될 수 있다. 보강재 및 중합체 용융물의 전단 및 혼합은 혼합 스크류의 큰 길이-대-직경 비 (L/D)의 보유를 통해 그리고 상이한 스크류 요소의 적용에 의해 달성될 수 있다. 이를 이용하여, 이축-스크류가 수십 년간 배합에서 사용되어 왔다. 중합체 가공으로의 그의 도입 이후, 상이한 유형의 이축-스크류 압출기가 개발된 바 있다. 기본적인 차이는 스크류 회전의 방향 및 형상에 기반한다. 동방향-회전, 역방향-회전, 및 상호 맞물림 스크류가 존재한다. 혼합의 효율을 증가시키기 위해, 상이한 교체가능한 요소 (예를 들어, 혼련 요소)를 갖는 세그먼트화 스크류가 또한 개발된 바 있다. 나노복합체는 스크류 회전 유형과 관계없이 유사한 성능을 제시하나, 역방향-회전 스크류를 사용하면 더 우수한 분산이 유발되는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 동방향-회전 스크류 내 흐름 속도는 스크류 팁에서 더 높은 것으로 밝혀졌다. 이는 더 높은 전단 속도에 상응하며 혼합을 위해 알맞은 것으로 간주된다.In a biaxial-screw extruder, the polymer undergoes shear deformation and melts between the two rotating screws and the housing. As the nano platelets are bonded with van der Waals forces, they can be separated by application of shear force during mixing. Shearing and mixing of the stiffener and the polymer melt can be achieved through retention of a large length-to-diameter ratio (L / D) of the mixing screw and by the application of different screw elements. Using this, biaxial-screws have been used in formulations for decades. After its introduction into polymer processing, different types of biaxial-screw extruders have been developed. The basic difference is based on the direction and shape of the screw rotation. There are co-rotating, reversing-rotating, and intermeshing screws. In order to increase the efficiency of the mixing, segmented screws with different interchangeable elements (for example kneading elements) have also been developed. Nanocomposites show similar performance regardless of the screw rotation type, but it has been found that using a reverse-rotating screw results in better dispersion. In addition, the flow rate in the co-rotating screw was found to be higher at the screw tip. This corresponds to a higher shear rate and is considered suitable for mixing.
이해되는 바와 같이, 용융 배합 방법은 중합체 나노복합체를 생성하기에 가장 편리하고 산업적으로 유망한 공정이다. 마스터-배치 혼합은, 이미 혼합된 중합체-나노보강재 펠릿를 다시 용융시키고, 동일한 또는 감소된 부하 속도로 혼합하는 다중-스테이지 접근법이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자라면, 마스터-배치 혼합은 통상적으로, 사출 성형 및 압출과 같은 1차 공정 동안 특화된 첨가제 또는 염료를 첨가하기 위한 중합체 가공 동안 사용됨을 인지할 것이다. 마스터-배치 펠릿은 높은 부하 속도로 동일한 또는 상용성 베이스 수지 및 첨가제를 사용하여 제조된다. 추가로, 마스터-배치 공정으로부터의 나노복합체는 용융 가공에 의해 수득된 것들보다 더 우수한 것으로 밝혀졌다. 2차 혼합은 증가된 분산을 통해 나노복합체의 성능을 개선시키는데 도움이 되었다.As will be appreciated, the melt compounding process is the most convenient and industrially promising process for producing polymeric nanocomposites. Master-batch mixing is a multi-stage approach in which already mixed polymer-nanostructure pellets are re-melted and mixed at the same or reduced loading rate. It will be appreciated by those skilled in the relevant art that master-batch mixing is typically used during polymer processing to add specialized additives or dyes during primary processing, such as injection molding and extrusion. Master-batch pellets are prepared using the same or compatible base resin and additives at high loading rates. In addition, nanocomposites from the master-batch process have been found to be superior to those obtained by melt processing. Secondary mixing has helped to improve the performance of nanocomposites through increased dispersion.
이축-스크류 혼합과 함께 초음파-보조 압출의 경우, 추가의 에너지가 초음파의 형태로 적용된다. 초음파 에너지는 열역학적으로 불안정한 유화액을 제조하는데 그리고 중합 반응을 위한 개시제로서 사용된다. 이해되는 바와 같이, 나노입자 분산은 초음파와 이축-스크류 압출의 조합에 의해 개선될 수 있다. 중합체-나노입자 혼합물에 적용된 초음파 에너지는 고온 대역의 국부 전개로 인해 공동화를 유발할 것이다. 기포가 성장함에 따라, 그것들은 나노입자를 중합체 매트릭스 내로 분리 및 파단하는데 도움이 된다.In the case of ultrasonic-assisted extrusion with biaxial-screw mixing, additional energy is applied in the form of ultrasonic waves. Ultrasonic energy is used as an initiator for preparing thermodynamically unstable emulsions and for polymerization reactions. As will be appreciated, nanoparticle dispersion can be improved by the combination of ultrasonic and biaxial-screw extrusion. The ultrasonic energy applied to the polymer-nanoparticle mixture will cause cavitation due to the local expansion of the high temperature zone. As the bubbles grow, they help separate and break the nanoparticles into the polymer matrix.
중합체 내로 단층 그래핀을 분산시키는 것은 상당히 오랫동안 연구원에게 흥미로웠다. 그래핀은 일반적으로 습윤시키기가 어렵고, 흑연 및 그래핀 옥시드에 비해 더 낮은 접착 에너지를 나타낸다. 특정 적용을 위해 그래핀의 접착 및 반응성을 개선시키기 위해, 그래핀 시트는 양쪽 표면 상에 관능화될 수 있다. 관능화된 그래핀은 특히 바이오-센싱 적용에 유용하다. 일부 연구에서, 그래핀 시트에 대한 플루오린화의 효과가 연구된 바 있다. 생성된 플루오로 그래핀은 그래핀과 유사한 열적 및 기계적 거동과 함께 절연체인 것으로 밝혀졌다.Dispersing single-layer graphene into polymers has been of interest to researchers for quite some time. Graphene is generally difficult to wet and exhibits lower adhesion energy than graphite and graphene oxide. To improve the adhesion and reactivity of graphene for specific applications, graphene sheets can be functionalized on both surfaces. The functionalized graphene is particularly useful for bio-sensing applications. In some studies, the effect of fluorination on graphene sheets has been studied. The resulting fluorographene was found to be an insulator with similar thermal and mechanical behavior to graphene.
그래핀의 용매 분산은 유기 용매 N-메틸-2-피롤리돈 (NMP) 중의 그래핀의 성공적인 분산을 통해 많은 주목을 받았다. 일부 연구에서, 초음파 처리를 통한 그래핀의 박락에서의 상이한 용매의 유효성이 연구된 바 있다. 그래핀은 저출력 및 고출력 초음파 처리의 조합 및 계면활성제 (트리톤 X-100)를 사용함으로써 고농도 (0.7 mg/ml)로 물 중에 분산될 수 있는 것으로 제시된 바 있다. 그래핀은 소수성이기 때문에, 소수성 및 친수성 말단을 갖는 분산제를 적용하면 수성 용매 중의 분산을 안정화시키는데 도움이 될 것이다. 그래핀 시트의 방향족 구조 및 계면활성제 (트리톤 X-100) 내 벤젠 고리 간의 강한 π-π 상호작용은 분산을 지원한다. 크기 선택적 접근법을 통해 수득된 수분산된 그래핀 (즉, 원심분리를 통해 균일한 직경의 그래핀을 선택함)은 중합체 나노복합체 제조에 유망한 방향인 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고, 접근법의 복잡도 및 비용은 상업적 적용에 대해 상기와 같은 경로를 제한할 수 있다.Solvent dispersion of graphene received much attention through the successful dispersion of graphene in organic solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). In some studies, the effectiveness of different solvents in the degradation of graphene through sonication has been studied. Graphene has been shown to be dispersible in water at high concentrations (0.7 mg / ml) by using a combination of low power and high power ultrasound treatment and a surfactant (Triton X-100). Since graphene is hydrophobic, application of dispersants having hydrophobic and hydrophilic ends will help stabilize dispersion in aqueous solvents. The strong π-π interaction between the aromatic structure of the graphene sheet and the benzene ring in the surfactant (Triton X-100) supports dispersion. Aqueous dispersed graphene obtained through a size-selective approach (i.e., selecting graphene of uniform diameter through centrifugation) appears to be a promising direction for the preparation of polymeric nanocomposites. Nonetheless, the complexity and cost of the approach can limit the above path for commercial applications.
그래핀의 접착 작용 및 습윤도는 물과 비교할 때 에틸렌 글리콜 (EG)의 경우 더 높은 것으로 밝혀졌다. 추가로, 환원된 그래핀 옥시드는 산소-함유 관능기의 존재로 인해 에틸렌 글리콜 중에 잘 분산될 수 있다. PET의 중합을 위한 원료 중 하나인 에틸렌 글리콜로 인해, 용액 분산은 나노복합체의 개발을 위한 적당한 경로가 된다.The adhesion and wettability of graphene were found to be higher for ethylene glycol (EG) compared to water. In addition, the reduced graphene oxide can be well dispersed in ethylene glycol due to the presence of oxygen-containing functional groups. Due to ethylene glycol, which is one of the raw materials for the polymerization of PET, solution dispersion becomes a suitable route for the development of nanocomposites.
PET 나노복합체PET nanocomposite
서두에 기술된 바와 같이, PET 나노복합체는 그의 특성의 개선 및 새로운 적용으로의 확장을 목적으로 추구된다. 현재, 다른 나노재료는 이미 사용되고 있으며, PET의 중합 시 분산된다. 예를 들어, 도 5에 제시된 바와 같이, 평균 직경 400 nm를 갖는 카본 블랙 나노입자가 PET의 열 흡수 용량의 개선을 위해 6 ppm 또는 0.0006%로 사용된다. 계내 중합을 통해 달성된 카본 블랙 분산은 상기와 같은 낮은 6 ppm 부하에서도 에너지 절감을 제공한다. 더 유의한 중량 분율에서 계내 접근법을 통한 나노복합체 제조를 조사하면 이와 같은 접근법의 유효성을 이해하는데 도움이 될 수 있다.As described at the beginning, PET nanocomposites are pursued for the purpose of improving its properties and expanding to new applications. Currently, other nanomaterials are already in use and are dispersed upon polymerization of PET. For example, as shown in FIG. 5, carbon black nanoparticles having an average diameter of 400 nm are used at 6 ppm or 0.0006% for improving the heat absorption capacity of PET. Carbon black dispersion achieved through in-situ polymerization provides energy savings even at such a low 6 ppm load. Investigating the production of nanocomposites through an in situ approach at a more significant weight fraction can help to understand the effectiveness of such an approach.
PET의 높은 용융 온도 및 용융 점도로 인해 용융-배합은 나노복합체의 제조를 위한 관련 기술이 된다. 본원에 기재된 바와 같이, PET에 그래핀을 첨가하면 PET의 기계적, 배리어, 열적 및 전도 특성이 개선되는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 그래핀의 분산의 개선 및 고부하에서의 강화 메카니즘의 이해는, 비제한적 예로서, 변형률 모니터링, 전자기 차폐, 타격 보호의 약화, 감소된 수분 흡수성 등과 같은 새로운 적용으로 이어질 것으로 구상된다.Due to the high melting temperature and melt viscosity of PET, melt-blending is a relevant technique for the production of nanocomposites. As described herein, the addition of graphene to PET has been found to improve the mechanical, barrier, thermal and conduction properties of PET. However, improvement in dispersion of graphene and understanding of the strengthening mechanism at high load is envisaged as a non-limiting example, leading to new applications such as strain monitoring, electromagnetic shielding, weakened impact protection, reduced water absorption, and the like.
실험 세부사항Experiment details
일부 실시양태에서, 분자량 Mw 84,100 g/mol (0.81 dl/g 고유 점도 (I.V.))의 상업적으로 입수가능한 PET는 펠릿의 형태로 수득될 수 있다. 제공된 바와 같이, PET 펠릿은 반결정질이며, 이는 시차 주사 열량측정법 (DSC)에 의해 확인될 수 있다. 이해되는 바와 같이, PET는 흡습성이고, 중합체 용융물 중의 수분의 존재는 쇄 분할 (에스테르 결합의 가수분해)을 통한 분자량의 손실로 이어질 것이다. 따라서, PET는 유리하게는, 중합체 분해를 최소화하기 위해 각 공정 전 170℃에서 4-6시간 동안 건조시킬 수 있다.In some embodiments, commercially available PET of molecular weight M w 84,100 g / mol (0.81 dl / g intrinsic viscosity (IV)) can be obtained in the form of pellets. As provided, the PET pellets are semi-crystalline and can be identified by differential scanning calorimetry (DSC). As will be appreciated, PET is hygroscopic and the presence of water in the polymer melt will lead to loss of molecular weight through chain segmentation (hydrolysis of the ester bond). Thus, PET can advantageously be dried at 170 占 폚 for 4-6 hours before each step to minimize polymer degradation.
일부 실시양태에서, 상업적으로 입수가능한 그래핀은 2개의 상이한 평균 표면적을 갖는 그래핀 나노소판 (GNP)의 형태로 수득될 수 있다. 일부 실시양태에서, 5 μm의 평균 직경, 약 6 내지 8 nm의 두께 및 120-150 m2/g의 평균 표면적을 갖는 그래핀 나노소판 (GNP) (xGnP®-M-5 등급)이 나노복합체 제조에 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 2 μm의 평균 직경 및 750 m2/g의 평균 표면적을 갖는 나노소판 (xGnP®-C-750 등급)이 계내 중합을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노소판은 먼저 건조 응집된 분말 형태이며, 각각의 응집된 소판은 도 6a-6b에 제시된 바와 같이 여러 나노소판을 포함한다. 이해되는 바와 같이, 나노소판은 일반적으로 그의 길이에 걸쳐 균일하지 않고, 지그-재그 에지를 포함한다. 도 7은 나노소판의 화학적 구조를 예시한다. 나노소판은 99.5% 탄소로 구성되며, 여기서 매우 낮은 산소 및 수소가 에지 상에 카르복실 및 히드록실 기의 형태로 존재한다. 카르복실 및 히드록실 기는 소판의 파열 동안 원료 탄소의 노출로 인해 형성됨을 인지할 것이다. 일부 실시양태에서, 나노소판은, 문헌 [Doctor of Philosophy Dissertation, entitled "Graphite Nanoreinforcements in Polymer Nanocomposites," Chemical Engineering and Materials Science, 2003, by H. Fukushima]에 기재된 바와 같이, 산 삽입된 흑연 플레이크를 마이크로파 가공에 의해 팽창시키는 절차에 의해 제조될 수 있으며, 여기서 상기 문헌의 전문은 본원에 참조로 포함된다.In some embodiments, commercially available graphene can be obtained in the form of graphene nano platelet (GNP) having two different average surface areas. In some embodiments, graphene nanosophene (GNP) (xGnP <> -M-5 grade) having an average diameter of 5 μm, a thickness of about 6 to 8 nm and an average surface area of 120-150 m 2 / Can be used for manufacturing. In some embodiments, nanosplanes (xGnP®-C-750 grades) having an average diameter of 2 μm and an average surface area of 750 m 2 / g can be used for in-situ polymerization. In some embodiments, the nanosplane is first in the form of a dry agglomerated powder, and each agglomerated platelet contains a plurality of nanosplants, as shown in Figures 6A-6B. As will be appreciated, nano-platelet is generally not uniform over its length and includes jig-jag edges. Figure 7 illustrates the chemical structure of the nano-platelet. The nano-platelet consists of 99.5% carbon, where very low oxygen and hydrogen are present in the form of carboxyl and hydroxyl groups on the edge. It will be appreciated that the carboxyl and hydroxyl groups are formed due to the exposure of the raw carbon during rupture of the platelets. In some embodiments, the nanosplane is prepared by reacting acid-implanted graphite flakes with microwave < RTI ID = 0.0 > (I) < / RTI > as described in the Doctor of Philosophy Dissertation, entitled "Graphite Nanoreinforcements in Polymer Nanocomposites, For example by the process of expanding by processing, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
PET-GNP 나노복합체의 제조Manufacture of PET-GNP nanocomposites
일부 실시양태에서, 그래핀 나노소판은, PET-그래핀 마스터-배치를 이축-스크류 및 초음파-보조 이축-스크류 공정을 통해 배합함으로써 응집체를 형성하지 않고 PET 매트릭스 내로 분산될 수 있다. 한 실시양태에서, 그래핀 나노소판 (GNP) 및 PET 수지는 동방향-회전 스크류를 갖는 크라우스 마파이 ZE-25 UTX 실험실 압출기를 사용하여 PET-xGnP 마스터-배치 펠릿 내로 배합하였다. 2%, 5%, 10% 및 15% 중량 분율의 2개의 상이한 마스터-배치 펠릿 세트를 상기 공정을 사용하여 배합하였다. 각각의 세트에서, 각각의 중량 분율에 대해 5.4 kg (12 lb)의 마스터-배치를 제조하였다.In some embodiments, graphene nanosplan may be dispersed into the PET matrix without forming aggregates by blending the PET-graphene master-batch through a biaxial-screw and an ultrasonic-assisted biaxial-screw process. In one embodiment, graphene nano platelet (GNP) and PET resin were blended into PET-xGnP master-batch pellets using a Krauss-Mafi ZE-25 UTX laboratory extruder with a co-rotating screw. Two different master-batch pellet sets of 2%, 5%, 10% and 15% weight fractions were formulated using this process. In each set, a master batch of 5.4 kg (12 lb) was prepared for each weight fraction.
일부 실시양태에서, 초음파를 사용하여 이축-스크류 배합을 보조할 수 있다. 한 실시양태에서, PET-그래핀 나노소판을 초음파-보조 이축-스크류 압출 시스템을 사용하여 처리하였다. PET 펠릿을 80℃의 오븐에서 밤새 건조시켜 수분을 제거한 다음, 5% 중량 분율의 그래핀 나노소판과 배합하였다. PET 및 그래핀 나노소판은 도 9에 제시된 바와 같이 40 kHz에서 작동하는 초음파 혼이 구비된 동방향-회전 이축-스크류 마이크로-컴파운더를 사용하여 배합하였다. 초음파 혼은 다이 입구로부터 14.5 cm 거리의 배럴 영역 내에 위치하였다. 혼 팁의 수직 위치를 중합체 용융물과 접촉하도록 조절하였다. 200 RPM의 세트 스크류 속도와 함께, 공정 전반에 걸쳐 0.9 kg/hr (2 lb/hr)의 유속을 유지하여, 초음파 처리 대역에서 9.2초의 체류 시간을 유발하였다.In some embodiments, ultrasonic waves may be used to aid in biaxial-screw mixing. In one embodiment, the PET-graphene nano platelet was processed using an ultrasonic-assisted biaxial-screw extrusion system. The PET pellets were dried overnight in an oven at 80 DEG C to remove water and then blended with a graphene nanofot plate in a 5% weight fraction. PET and graphene nano platelet were formulated using a co-rotating twin screw-screw micro-composer with an ultrasonic horn operating at 40 kHz as shown in FIG. The ultrasonic horn was located within the barrel region at a distance of 14.5 cm from the die inlet. The vertical position of the horn tip was adjusted to contact the polymer melt. With a set screw speed of 200 RPM, a flow rate of 0.9 kg / hr (2 lb / hr) was maintained throughout the process, resulting in a residence time of 9.2 seconds in the ultrasonic treatment zone.
상이한 초음파 진폭을 포함하여 기준 복합체 마스터-배치와 조합된, 총 4개의 마스터-배치 세트를 제조하였다: 무 초음파 (0 USM), 3.5 μm (3.5 USM), 5 μm (5 USM) 및 7.5 μm (7.5 USM). 추가로, PET 단독에 대한 초음파 처리의 효과를 이해하기 위해, 순수한 PET (보강재 없음)를 또한 동일한 조건 하에 처리하였다. 도 8은 펠릿화된 형태의 배합된 PET-그래핀의 여러 예시적 실시양태의 크기 및 치수를 예시한다.A total of four master-batch sets were prepared, combined with a reference complex master-batch including different sonic amplitudes: Ultrasound (0 USM), 3.5 μm (3.5 USM), 5 μm (5 USM) and 7.5 μm 7.5 USM). In addition, to understand the effect of sonication on PET alone, pure PET (no reinforcement) was also treated under the same conditions. Figure 8 illustrates the size and dimensions of several exemplary embodiments of blended PET-graphene in pelletized form.
계내 중합Polymerization in situ
일부 실시양태에서, 계내 중합은 중합체 나노복합체 제조에 사용될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 계내 중합은 일반적으로 2개의 단계를 포함한다. 제1 단계는 나노규모 보강재를 상용성 중합체 전구체 또는 용매를 사용하여 용액 상에 삽입하는 것을 포함한다. 제2 단계에서는, 나노소판 삽입된 용액을 사용하여 중합을 시행한다. 나노소판을 화학적으로 상용성의 저점도 재료 내로 분산시키는 것은 고점성 중합체 용융물과 직접 혼합하는 것에 비해 더 효율적인 것으로 간주된다.In some embodiments, intramolecular polymerization can be used to prepare polymer nanocomposites. As will be appreciated, intramuscular polymerization generally involves two steps. The first step involves inserting nanoscale reinforcements onto the solution using an compatible polymer precursor or solvent. In the second step, the polymerization is carried out using the nanosplane-embedded solution. Dispersing the nanosplast into a chemically compatible low viscosity material is considered to be more efficient than direct mixing with the high viscosity polymer melt.
이해되는 바와 같이, 에틸렌 글리콜 (EG)은 PET의 중합을 위한 원료 중 하나이기 때문에, EG는 유리하게는 그래핀 나노소판의 분산을 위한 용매로서 사용될 수 있다. 한 실시양태에서, 99% 순도를 갖는 시약 등급의 EG를 그래핀 나노소판의 분산을 위한 용매로서 사용하였다. 그래핀 나노소판은 1 mg/ml (즉, 0.1% 중량 분율)의 농도로 EG에 첨가되었고, 40 kHz 배스 초음파발생기를 사용하여 초음파 처리하였다. EG-GNP 용액은 도 10에 도시된 바와 같이 균질 분산을 보장하기 위해 106시간 동안 초음파 처리하였다. 초음파 처리 공정 동안, 용액 비이커를 알루미늄 호일로 덮어 대기 산소에의 노출을 방지하였다. 저 (120 m2/g) 및 고 (750 m2/g) 표면적 그래핀 나노소판 둘 다를 사용하여 분산액을 제조하였다.As will be understood, since ethylene glycol (EG) is one of the raw materials for the polymerization of PET, EG can advantageously be used as a solvent for the dispersion of graphene nanofibers. In one embodiment, reagent grade EG with 99% purity was used as the solvent for the dispersion of the graphene nanosplan. The graphene nanofabrication was added to the EG at a concentration of 1 mg / ml (i.e., 0.1% weight fraction) and ultrasonicated using a 40 kHz bass ultrasonic generator. The EG-GNP solution was sonicated for 106 hours to ensure homogeneous dispersion as shown in FIG. During the ultrasonic treatment process, the solution beaker was covered with aluminum foil to prevent exposure to atmospheric oxygen. The dispersions were prepared using both low (120 m 2 / g) and high (750 m 2 / g) surface area graphene nano plastic plates.
한 실시양태에서, 에틸렌 글리콜 및 디메틸 테레프탈레이트 중에 분산된 그래핀 나노소판의 계내 중합을 1 kg 중합 반응기를 사용하여 시도하였다. PET 중합은 2-단계 반응을 통해 수행하였다. 제1 단계는 에스테르 상호교환 반응 (EI)이며, 여기서 단량체가 형성된다. 제2 단계에서는, 중축합 반응 (PC)을 통해 중합체가 형성된다. 각 단계에서 겪는 반응과 함께 사용되는 실험 장치를 하기에 기재한다.In one embodiment, in-situ polymerization of graphene nanofibers dispersed in ethylene glycol and dimethyl terephthalate was attempted using a 1 kg polymerization reactor. The PET polymerization was carried out through a two-step reaction. The first step is the ester interchange reaction (EI), in which the monomers are formed. In the second step, a polymer is formed through a polycondensation reaction (PC). An experimental apparatus used in conjunction with the reactions experienced in each step is described below.
도 11은 에스테르 상호교환 반응의 수행을 위한 반응기 및 메탄올 수집 장치의 예시적 실시양태를 예시하는 개략도이다. 도 11에 예시된 실시양태에서, 분말화된 디메틸 테레프탈레이트 (DMT)를 중합을 위해 사용하였다. EG와 분산된 GNP 및 분말화된 DMT를 과잉의 EG와 함께 2.3:1 몰비로 질소 퍼징 하에 반응기 내로 충전하였다. 에스테르 상호교환 반응을 위한 촉매 아세트산망가니즈 (Mn(CH3COO)2) 및 중축합 반응을 위한 촉매 삼산화안티모니 (Sb2O3)를 각각 82 ppm 및 300 ppm으로 배치에 첨가하고, 일정한 교반 하에 175℃로 가열하였다. 배치 온도가 약 170℃에 접근할 때 메탄올 수집이 시작되었으며, 이는 에스테르 상호교환 반응이 시작되었고 이어서 질소 퍼징이 끝났음을 가리킨다. 온도가 235℃에 도달할 때까지 15℃의 단계로 배치 온도가 계속 증가하였다. 반응이 진행됨에 따라, 구스넥 응축기 내 온도는 실온으로부터 60℃ 초과로 증가하였다. 메탄올 수집이 이론적 수율 (이 경우 300 ml)에 도달하고 구스넥 응축기 온도가 60℃ 미만으로 강하되면, 에스테르 상호교환은 완료된 것으로 간주된다. 구스넥 응축기를 제거하고, 에스테르 상호교환 반응을 종결시키기 위해 배치에 폴리인산 (H3PO4)을 38 ppm으로 첨가하였다. 도 12는 DMT와 EG 간의 에스테르 상호교환을 통한 에스테르 상호교환물의 형성을 예시한다. 전체 에스테르 상호교환 반응은 완료되는데 약 3시간 걸렸다.11 is a schematic diagram illustrating an exemplary embodiment of a reactor and a methanol collection device for performing an ester interchange reaction. In the embodiment illustrated in Figure 11, powdered dimethyl terephthalate (DMT) was used for the polymerization. The EG, the dispersed GNP and the powdered DMT were charged into the reactor at a 2.3: 1 molar ratio with excess EG under nitrogen purge. The catalytic acetic acid manganese (Mn (CH 3 COO) 2 ) for the ester interchange reaction and the catalyst antimony trioxide (Sb 2 O 3 ) for the polycondensation reaction were added to the batch at 82 ppm and 300 ppm, respectively, 0.0 > 175 C. < / RTI > Methanol collection began when the batch temperature approached about 170 ° C, indicating that the ester interchange reaction was initiated and the nitrogen purge was finished. The batch temperature continuously increased to 15 ° C until the temperature reached 235 ° C. As the reaction progressed, the temperature in the gooseneck condenser increased from room temperature to over 60 ° C. If the methanol collection reaches the theoretical yield (300 ml in this case) and the gooseneck condenser temperature drops below 60 ° C, the ester interchange is considered complete. The gooseneck condenser was removed and polyphosphoric acid (H 3 PO 4 ) was added to the batch at 38 ppm to terminate the ester interchange reaction. Figure 12 illustrates the formation of ester interchanges via ester interchange between DMT and EG. The entire ester interchange reaction took about 3 hours to complete.
도 13은 중축합 반응의 수행을 위한 반응기 및 과잉의 EG 수집 응축기 장치의 예시적 실시양태를 예시하는 개략도이다. 중축합 반응 동안, 반응기 온도는 285℃로 증가하였고, 목적하는 점도의 PET가 수득될 때까지 진공 (30 in Hg)으로 유지되었다. 이소프탈산 (C6H4(COH)2) 및 안정화된 코발트를 중축합 반응이 시작될 때 배치에 각각 20 그램 및 65 ppm으로 첨가하였다. 이소프탈산은 PET의 결정화도를 제한하여 PET를 가공하기에 더 용이하게 함을 이해할 것이다. 안정화된 코발트는 PET의 최종 색상을 제어하기 위해 첨가되었다. 도 14에 예시된 바와 같이, 중축합 반응 동안, PET의 분자량은 증가하고 EG는 방출된다. 중축합 반응 동안, 방출된 EG는 둥근 플라스크 내에 수집되었고, EG가 진공 펌프 내로 유입되는 것을 막기 위해 드라이아이스를 사용하여 고화시켰다. 이해되는 바와 같이, PET 쇄 길이의 증가에 따른 배치의 점도의 변화는 교반 전류에 영향을 미칠 것이다. 따라서, 반응이 진행됨에 따라, 교반기로 보내진 전류는 15분 간격으로 변화에 대해 모니터링하였다. 교반기로 보내진 전류의 변화가 2개의 연속 판독치에서 검출되지 않으면, 진공을 커트하여 반응을 중지시켰다. 이어서, 생성된 중합체 용융물을 반응기 바닥의 개구부로부터 빙수 배스로 압출시키고, 스트랜드 초퍼를 사용하여 펠릿화하였다. 도 14a는 그래핀 나노소판이 없는 하나의 대조군 배치를 포함하여, 3개의 배치 중합에 대한 반응 시간 및 수율을 예시하며, 이는 도 11 및 13에 예시된 장치에 의해 수행되었다.Figure 13 is a schematic diagram illustrating an exemplary embodiment of a reactor and an excess EG collection condenser apparatus for performing a polycondensation reaction. During the polycondensation reaction, the reactor temperature was increased to 285 DEG C and held at vacuum (30 in Hg) until PET of the desired viscosity was obtained. Isophthalic acid (C 6 H 4 (COH) 2 ) and stabilized cobalt were added to the batch at the start of the polycondensation reaction at 20 grams and 65 ppm, respectively. It will be appreciated that the isophthalic acid limits the crystallinity of the PET, making it easier to process the PET. The stabilized cobalt was added to control the final color of the PET. As illustrated in FIG. 14, during the polycondensation reaction, the molecular weight of PET increases and EG is released. During the polycondensation reaction, the released EG was collected in a round flask and solidified using dry ice to prevent the EG from entering the vacuum pump. As will be appreciated, a change in the viscosity of the batch with increasing PET chain length will affect the stirring current. Thus, as the reaction progressed, the current sent to the agitator was monitored for change at 15 minute intervals. If no change in current sent to the agitator was detected in two consecutive readings, the vacuum was cut to stop the reaction. The resulting polymer melt was then extruded from an opening in the bottom of the reactor into an ice-water bath and pelletized using a strand chopper. Figure 14a illustrates reaction time and yield for three batch polymerizations, including one control batch without graphene nanofibres, which was performed by the apparatus illustrated in Figures 11 and 13.
나노복합체의 사출 성형Injection molding of nanocomposites
일부 실시양태에서, 나노복합체 마스터-배치는 그의 마이크로구조적, 기계적 및 열적 특징의 조사를 용이하게 하기 위해 상이한 최종 나노소판 부하 분율로 사출-성형될 수 있다. 한 실시양태에서, 오일 냉각형 성형기, 수 냉각형 성형기, 및 마이크로 사출 성형기를 포함하여 3개의 상이한 사출 성형 프레스가 사용되었다. 상기 기재된, 배합 공정으로부터 수득된 PET-그래핀 나노소판 마스터-배치를 상이한 부하 분율의 나노복합체의 성형을 위해 사용하였다. 마스터-배치로부터 2%, 5%, 10% 및 15% GNP 중량 분율의 나노복합체를 성형하기 위해 오일 냉각형 사출 성형 유닛을 사용하였다 (배합된 펠릿을 순수한 PET를 사용하여 그래핀 농도의 희석 없이 사출 성형하였음). 260℃ - 280℃ 범위의 배럴 온도로 인장 막대를 성형하였다. 표준 인장 막대 금형에 이어 ASTM D 638 유형 I 사양을 사용하였다.In some embodiments, the nanocomposite master-batch can be injection-molded with different final nano platelet loading fractions to facilitate investigation of its microstructural, mechanical, and thermal properties. In one embodiment, three different injection molding presses were used, including an oil-cooled molding machine, a water-cooled molding machine, and a micro-injection molding machine. The PET-graphene nanosoprene master-batch obtained from the compounding process described above was used for the formation of nanocomposites of different loading fractions. An oil-cooled injection molding unit was used to form nanocomposites of 2%, 5%, 10% and 15% GNP weight fractions from the master-batch (the blended pellets were blended with pure PET without dilution of the graphene concentration Injection molded). Tensile bars were formed at barrel temperatures ranging from 260 ° C to 280 ° C. A standard tension bar mold followed by ASTM D 638 Type I specification.
느린 냉각 속도로 인해, 사출 성형된 PET에서 불투명한 코어로 나타나는 결정화 신호가 관찰되었다. 또 다른 실시양태에서, PET를 위해 설계된 HyPET 90 RS45/38 사출 성형 시스템이 사용되었다. 사출 성형은 미국 캘리포니아주 온타리오 소재의 나이아가라 보틀링 엘엘씨(Niagara Bottling LLC) 설비에서 원격 수행하였다. HyPET 90 RS45/38 사출 성형 시스템은 90톤의 고정력을 갖고, 38 mm 스크류 직경 및 냉각수 냉각형 금형을 포함한다. 이로써, 비결정질 마이크로구조를 보유하기 위해 더 높은 냉각 속도로 PET를 가공하는 것이 가능해 진다.Due to the slow cooling rate, crystallization signals appearing as opaque cores in the injection molded PET were observed. In another embodiment, a
또한, 나노복합체의 사출 성형을 PET의 가공을 위한 산업 표준과 유사하게 유지하기 위해 외주 금형을 개발하였다. 도 15에 제시된, 외주 금형을 사용하여 제조된 튜브 시편은 기계적 시험의 용이함을 위해 설계된다. 도 15에 제시된 바와 같이, 튜브 시편은 균일한 단면과 함께 큰 게이지 길이를 포함한다. 따라서, 외주 금형은 산업적 규모 부품에 전형적인 관련 크기 및 가공 창 (즉, 사출 압력 및 사이클 시간)을 포함하는 부품을 제조한다.In addition, an outer mold was developed to maintain the injection molding of the nanocomposite similar to the industry standard for processing PET. The tube specimen produced using the outer mold shown in Fig. 15 is designed for ease of mechanical testing. As shown in FIG. 15, the tube specimen includes a large gauge length with a uniform cross-section. Thus, the outsourcing mold manufactures parts that include typical associated sizes and processing windows (i.e., injection pressure and cycle time) for industrial scale components.
상기한 방법으로부터 수득된 나노복합체 펠릿을 사용하여, 기계적 시험을 위한 샘플을 상이한 GNP 농도로 사출 성형하였다. 낮은 GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체의 시험을 위해서, 마스터-배치를 PET와 혼합하여 희석시키고, 0.5% 정도로 낮은 중량 분율을 갖는 나노복합체로 사출 성형하였다. 나노복합체의 최종 중량 분율은 도 16a-16b에 제시된 바와 같이, 공급 스로트로부터 수집된 이미지에서 펠릿의 백분율을 측정함으로써 확인하였다. 도 8에 열거된 바와 같은 펠릿의 치수를 사용 시, 실제 중량 분율을 계산하였다. 각 공정 가동으로부터의 나노복합체는 공정이 안정화된 후 특징규명 연구를 위해 수집되었다. 안정화는 사출 압력 및 사이클 시간이 10분 초과 동안 고정적일 때 발생한다. 도 16c는 각 마스터-배치와 관련된 사출 성형된 나노복합체 중량 분율을 제시한다.Using the nanocomposite pellets obtained from the above method, samples for mechanical testing were injection molded at different GNP concentrations. For testing of nanocomposites with low GNP weight fractions, the master-batch was diluted by mixing with PET and injection molded into a nanocomposite with a weight fraction as low as 0.5%. The final weight fraction of the nanocomposite was confirmed by measuring the percentage of pellets in the images collected from the feed throat, as shown in Figures 16a-16b. When using the dimensions of the pellets as listed in Figure 8, the actual weight fractions were calculated. The nanocomposites from each process run were collected for characterization studies after the process was stabilized. Stabilization occurs when the injection pressure and cycle time are fixed for more than 10 minutes. Figure 16c shows the injection molded nanocomposite weight fractions associated with each master-batch.
공정 최적화Process Optimization
사출 성형을 통한 중합체 가공은 여러 변수, 예컨대 배럴 온도, 사출 압력, 유지 압력 및 배압, 충전 시간, 냉각 시간 등에 의존적이다. 이해되는 바와 같이, 공극과 같은 결함 및 결정화도가 없는 부품을 갖기 위해 모든 상기와 같은 변수의 균형화가 필요하다. 각 공정 가동의 시작 시, 배럴은 이전 시험으로부터 임의의 잔여 재료를 제거하기 위해 기준 재료로 플러싱하였다. 기준 재료 내 플러싱은 가공을 공지된 조건으로 시작될 수 있게 하고, PET-마스터-배치 혼합물이 배럴을 차지할 때 그가 최적화될 수 있게 한다는 것을 인지할 것이다.Polymer processing through injection molding depends on a number of variables, such as barrel temperature, injection pressure, holding and back pressure, charge time, cooling time, and the like. As will be appreciated, balancing of all such variables is necessary to have components such as voids and no crystallinity. At the start of each process run, the barrel was flushed with a reference material to remove any residual material from the previous test. It will be appreciated that flushing in the reference material allows processing to be started at known conditions and allows it to be optimized when the PET-master-batch mixture occupies the barrel.
그래핀 나노소판의 첨가는 PET의 용융 점도에 영향을 미치고, 이는 충전 압력을 반영할 것이다. 최대 충전 압력은 도 16d에 제시된 바와 같이 초음파 마스터-배치를 가공할 때 감소하는 반면, 유지 압력은 동일한 것으로 관찰되었다. 이해되는 바와 같이, 유지 압력은 재료가 고화되는 동안 금형이 폐쇄되도록 유지하는데 중요하다. 또 다른 중요한 공정 변수는 배압이며, 이는 재료를 균질화하고 용융물로부터 공극을 제거하도록 돕는다. 공정의 유효성, PET의 혼합, 및 배럴 내부의 마스터-배치는 시각적 검사를 통해 체크할 수 있다. 보다 낮은 GNP 중량 분율을 갖는 샘플에 있어서, 불량한 혼합의 시각적 신호는 도 17에 제시된 바와 같이 진한 스폿, 마크, 및 흐름 스트리크를 포함한다.The addition of graphene nanofibers affects the melt viscosity of the PET, which will reflect the filling pressure. The maximum filling pressure was found to be reduced when machining the ultrasonic master-batch as shown in Figure 16d, while the holding pressure was observed to be the same. As will be appreciated, the retention pressure is important to keep the mold closed while the material is solidified. Another important process parameter is backpressure, which helps to homogenize the material and remove voids from the melt. The effectiveness of the process, the mixing of the PET, and the master-batch inside the barrel can be checked by visual inspection. For samples with lower GNP weight fractions, the visual signal of poor mixing includes dark spots, marks, and flowstreaks as shown in FIG.
마이크로-사출 성형Micro-injection molding
일부 실시양태에서, 인장 샘플은, 희석 없이 초음파를 통한 그래핀 분산으로부터의 개선을 평가하고 PET 기계적 특성에 대한 초음파 처리의 효과를 검사하기 위해서 마이크로-사출 시스템을 사용하여 제조될 수 있다. 한 실시양태에서, 인장 샘플은 도 18a-18b에 제시된 바와 같이 5 cc 마이크로 배합 유닛과 함께 5.5 cc 용량 마이크로-사출 성형 유닛을 사용하여 제조되었다. 도 19a에 제시된 금형을 포함하는 도 18a-18b의 마이크로-사출 성형 유닛을 도 19b에 제시된 인장 막대의 제조를 위해 사용하였다. 본원에 기재된 바와 같이 펠릿을 용융시키고 균질 용융 혼합물을 제공하기 위해 동방향-회전 이축 스크류가 구비된 마이크로-컴파운더 유닛을 사용하였다. 중합체 또는 나노복합체 용융물을 컴파운더로부터 사출 성형기로 전달하기 위해 도 18b에 제시된 전달 디바이스를 사용하였다. 사출 성형기는 중합체 재료를 고압 공기 (13.8 bar)에 연결된 플런저에 의해 원추형 금형 내로 사출하였다. 인지되는 바와 같이, 마이크로-사출 시스템은 금형 온도, 사출 압력, 유지 압력, 사출 시간 및 유지 시간의 제어를 제공한다.In some embodiments, the tensile sample can be prepared using a micro-injection system to assess the improvement from graphene dispersion via ultrasound without dilution and to examine the effect of ultrasonic treatment on PET mechanical properties. In one embodiment, a tensile sample was prepared using a 5.5 cc micro-injection molding unit with a 5 cc microformulation unit as shown in Figures 18a-18b. The micro-injection molding unit of Figs. 18A-18B including the mold shown in Fig. 19A was used for the manufacture of the tension rods shown in Fig. 19B. A micro-composer unit equipped with a co-rotating twin screw was used to melt the pellets and provide a homogenous molten mixture as described herein. The transfer device shown in Fig. 18B was used to transfer the polymer or nanocomposite melt from the composer to the injection molding machine. The injection molding machine injected the polymer material into the conical mold by means of a plunger connected to high pressure air (13.8 bar). As will be appreciated, the micro-injection system provides control of mold temperature, injection pressure, holding pressure, injection time and hold time.
한 실시양태에서, 도 19a에 제시된 이중 도그 본 금형은 2.1 cc의 충전 부피와 함께 게이지 구획에 대해 ASTM D 638 유형 V 시편 L/D 비에 따라 설계하였다. 배합 공정 동안, 재료를 270℃로 가열하고, 1분 동안 재순환 밸브를 개방함으로써 균질화시켰고, 이후에 용융물을 전달 디바이스 내로 수집하였다. 실온에서 알루미늄 금형을 사용하여 인장 막대를 제조하였다. 비교적 큰 부피의 알루미늄 금형은 열 싱크로서 작용하고, 사출 동안 중합체 용융물의 냉각을 허용하였다. 도 19c에는 PET 나노복합체 인장 막대의 제조를 위해 사용된 사출 공정 파라미터가 열거되어 있다.In one embodiment, the double dog mold shown in Figure 19a was designed according to the ASTM D 638 Type V specimen L / D ratio for the gage compartment with a filling volume of 2.1 cc. During the compounding process, the material was heated to 270 DEG C and homogenized by opening the recirculation valve for 1 minute, after which the melt was collected into the delivery device. Tensile bars were prepared using aluminum molds at room temperature. A relatively large volume of aluminum mold served as a heat sink and allowed cooling of the polymer melt during injection. Figure 19c lists the injection process parameters used for the preparation of PET nanocomposite tensile rods.
PET 대조군, 초음파 처리된 PET, 이축-스크류 혼합, 초음파 보조 이축-스크류 혼합으로부터 5% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체 펠릿, 및 계내 중합으로부터의 재료를 포함하는 총 5개의 상이한 재료 세트를 마이크로-배합 시스템을 사용하여 처리하였고, 기계적 시험을 위해 인장 막대를 수득하였다. 나노복합체의 경우, 나노복합체 특성에 대한 혼합 시간의 효과를 이해하기 위해 상이한 혼합 시간을 또한 조사하였다. 모든 재료는, 과다-건조로 인한 점도의 강하, 또는 수분의 존재로 인한 분해를 피하기 위해 가공 전 오븐에서 2시간 동안 170℃에서 소량 (30 그램)으로 건조시켰다.A total of five different sets of materials, including materials from polymerization, nanocomposite pellets with a 5% GNP weight fraction from PET control, ultrasonicated PET, biaxial-screw mixing, ultrasonic assisted biaxial-screw mixing, System, and tensile bars were obtained for mechanical testing. For nanocomposites, different mixing times were also investigated to understand the effect of mixing time on nanocomposite properties. All materials were dried in a small amount (30 grams) at 170 占 폚 for 2 hours in an oven before processing to avoid over-drying due to viscosity drop, or decomposition due to the presence of moisture.
나노복합체의 특징규명Characterization of nanocomposites
사출 성형된 나노복합체들 간의 밀도의 비교는 공정 결함 (예를 들어, 공극)으로 인한 샘플에서의 차이를 규명하는데 도움이 될 것이다. 상대 밀도는 하기 방정식을 사용하여 아르키메데스 원리에 기반하여 결정할 수 있다:A comparison of the density between injection molded nanocomposites will help to identify differences in the sample due to process defects (e.g., voids). The relative density can be determined based on the Archimedes principle using the following equation:
여기서, m은 공기 중의 샘플의 질량이고, 은 액체 매질 중의 샘플의 질량이며, ρ0는 사용된 매질 (즉, 물)의 밀도이다.Where m is the mass of the sample in air, Is the mass of the sample in the liquid medium, and rho 0 is the density of the medium (i.e., water) used.
비결정질 PET는 1335 kg/m3의 밀도를 갖는다. PET 반결정질 중합체는 결정화도에 기반하여 광범위한 밀도를 나타낸다. 비결정질 나노복합체의 이론적 밀도는 PET (1335 kg/m3) 및 GNP (2200 kg/m3)의 상대 밀도를 사용하여 계산될 수 있다. 대조군 (PET) 및 나노복합체 샘플의 결정화도는 하기에 주어진 방정식을 사용하여 평가될 수 있다.Amorphous PET has a density of 1335 kg / m 3 . PET semi-crystalline polymers exhibit a wide density based on their crystallinity. The theoretical density of amorphous nanocomposites can be calculated using the relative density of PET (1335 kg / m 3 ) and GNP (2200 kg / m 3 ). The crystallinity of the control (PET) and nanocomposite samples can be evaluated using the equations given below.
여기서, Xc는 샘플의 결정화도이고, ρa는 비결정질 PET에 대한 밀도이고, ρc는 결정질 PET에 대한 밀도 (1455 kg/m3)이며, ρ샘플은 복합체의 밀도이다.Here, X c is the crystallinity of the sample, ρ a is the density for amorphous PET, ρ c is the density for crystalline PET (1455 kg / m 3 ), and ρ sample is the density of the composite.
PET는 용융 온도에서 고전단 하에 쇄 분할을 일으키는 것으로 공지되어 있다. 추가로, PET에 대한 초음파 처리의 효과는 이전에 조사된 바 없다. 따라서, 초음파 처리된 PET 및 PET 나노복합체의 분자량의 변화를 평가하기 위해, 겔 투과 크로마토그래피 (GPC)를 수행하였다. 실온에서 PET를 용해시키기 위한 용매로서 헥사플루오로이소프로판올 (HFIP)을 사용하였다. 복합체 펠릿에 대해, 중합체를 용해시킨 후 나노소판을 여과하였다. GPC 측정은 아우리가 폴리머스(Auriga Polymers)에서 수행하였다. 용매 중에 용해된 중합체 (5 mg/ml)를 특정 세공 크기를 갖는 GPC 칼럼을 통해 일정한 유속으로 펌핑하였다. 팽윤 상태의 중합체 분자가 칼럼을 통과하는데 걸린 시간 (체류 시간)은 분자 크기에 기반한다. 중합체 용액이 칼럼을 통과하면서, 굴절률 검출기를 사용하여 규명된 상이한 분율 (동일한 분자량)에 대한 용출 부피를 기록하였다. 이 용출 부피를 공지된 분자량의 폴리스티렌 표준물에 대해 비교하여, PET 샘플에 대한 평균 분자량을 수득하였다.PET is known to cause chain splitting under high shear at the melting temperature. In addition, the effect of ultrasound treatment on PET has not been previously investigated. Therefore, gel permeation chromatography (GPC) was performed to evaluate the change in the molecular weight of the ultrasound treated PET and PET nanocomposite. Hexafluoroisopropanol (HFIP) was used as a solvent for dissolving PET at room temperature. For the composite pellets, the polymer was dissolved and the nanosplan was filtered. GPC measurements were performed by Auriga Polymers. The polymer dissolved in the solvent (5 mg / ml) was pumped through the GPC column with a certain pore size at a constant flow rate. The time (residence time) taken for the swollen polymer molecules to pass through the column is based on the molecular size. As the polymer solution passed through the column, the elution volumes for different fractions (same molecular weight) identified using refractive index detectors were recorded. This elution volume was compared against polystyrene standards of known molecular weights to obtain an average molecular weight for the PET sample.
PET 및 초음파 처리된 PET 펠릿의 고유 점도 (I.V.)는, ASTM D4603 표준에서 권장된 용매에 대해 보정된 그의 독점 용매를 사용하여 아우리가 폴리머 설비에서 측정하였다. 중합체 펠릿을 용매 중에 용해시킨 후, 그 용액을 유리 모세관 점도계로 통과시키고, 상부로부터 하부 보정 마크로 강하할 때 (도 20에 제시된 바와 같음)의 용액에 대한 흐름 시간을 기록하였다. 용액 대 용매에 대한 평균 흐름 시간의 비는 중합체의 상대 점도 (ηr)를 제공하였다. 중합체의 고유 점도는 하기 방정식들을 사용하여 계산하였다:The intrinsic viscosity (IV) of the PET and ultrasonic treated PET pellets was measured in a polymer plant using a proprietary solvent that was calibrated against the solvents recommended in the ASTM D4603 standard. The polymer pellets were dissolved in the solvent and the flow time for the solution was noted when the solution was passed through a glass capillary viscometer and descended from top to bottom calibration mark (as shown in Figure 20). The ratio of the mean flow time to solution versus solvent provided the relative viscosity ( r ) of the polymer. The intrinsic viscosity of the polymer was calculated using the following equations:
여기서, ηr은 상대 점도이고, t는 평균 용액 흐름 시간 (s)이고, t0은 평균 용매 흐름 시간 (s)이고, η은 고유 점도 (dL/g)이며, C는 중합체 용액 농도 (g/dL)이다.Here, η r is relative viscosity, t is the average solution Flow time (s), t 0 is the average solvent flow time (s) and, η is intrinsic viscosity (dL / g), C is the polymer solution concentration (g / dL).
GPC 기술로부터의 중량 평균 분자량 데이터 및 상기 언급된 절차에 의해 수득된 고유 점도 (I.V.) 데이터를 사용하여, 관련 PET I.V. 내지 Mw에 대한 마크-후윙크 파라미터를 조정하였고, 초음파 처리된 나노복합체에 대한 점도를 계산하는데 사용하였다:Using the weight average molecular weight data from the GPC technique and the intrinsic viscosity (IV) data obtained by the procedure mentioned above, the mark-after-wink parameters for the relevant PET IV to M w were adjusted and the ultrasonic treated nanocomposite Was used to calculate the viscosity for:
여기서, η은 중합체 고유 점도 (dL/g)이고, M은 평균 분자량 (g/mol)이며, 'K' 및 'a'는 마크-후윙크 상수이다. 중량 평균 분자량을 사용하고, 'K' 및 'a'는 각각 0.00047 및 0.68로 취하였다.Here, η is the intrinsic viscosity of the polymer (dL / g), M is the average molecular weight (g / mol), and 'K' and 'a' are the mark-after-wink constants. Weight average molecular weight was used, and 'K' and 'a' were taken as 0.00047 and 0.68, respectively.
사출 성형 공정으로부터 인장 막대 및 인장 튜브의 2가지 상이한 기하구조를 갖는 나노복합체 샘플을 수득하였다. 양쪽 기하구조 인장 막대 및 튜브 모두 ASTM D 638 표준에 따라 5 mm/min의 크로스-헤드 속도로 만능 재료 시험기를 사용하여 시험하였다. 변형률의 기록을 위해 비-접촉 레이저 연신계를 사용하였다. 레이저 연신계는, 도 21a에 제시된 바와 같이, 시험 샘플 상에 게이지 길이를 마크하는데 사용되는 자체-반사 테이프로부터의 반사에 기반하여 변위를 기록한다. 하중 셀로부터의 하중 및 레이저 연신계로부터의 변형률 값은 100 ms의 간격으로 동시에 기록하였다. 나노복합체 튜브의 시험을 위해서, 도 21b-21d에 제시된 외주 고정물을 사용하였다. 각 공정 조건에 대해 최소 5개의 샘플을 시험하였다.From the injection molding process, nanocomposite samples having two different geometries, a tensile rod and a tensile tube, were obtained. Both geometric tension rods and tubes were tested using a universal material tester at a cross-head speed of 5 mm / min in accordance with ASTM D 638 standards. A non-contact laser stretcher system was used to record the strain. The laser stretcher records the displacement based on the reflection from the self-reflecting tape used to mark the gage length on the test sample, as shown in Figure 21A. The load from the load cell and the strain value from the laser stretching system were simultaneously recorded at intervals of 100 ms. For testing of nanocomposite tubes, the outer fixture shown in Figures 21b-21d was used. A minimum of five samples were tested for each process condition.
PET의 열적 특성 (유리 전이, 결정화 및 용융 온도)에 대한 그래핀의 효과를 이해하기 위해 PET 및 나노복합체 샘플의 시차 주사 열량측정법 (DSC)을 수행하였다. 나노복합체의 온도기록계는 시차 주사 열량측정법을 사용하여 획득하였다. 나노복합체 샘플을 질소 분위기 하에 주위 온도로부터 300℃까지 10℃/min으로 가열하고 300℃에서 1 min 동안 유지하고 (제1 가열 사이클), 이어서 25℃까지 10℃/min으로 냉각시키고 25℃에서 1 min 동안 유지하고 (제1 냉각 사이클), 그런 다음 최종적으로 300℃까지 10℃/min으로 재가열 (제2 가열 사이클)하였다. 초음파 처리된 PET 펠릿을 또한 열적 특성의 변화에 대해 분석하였다.Differential scanning calorimetry (DSC) of PET and nanocomposite samples was performed to understand the effect of graphene on the thermal properties of PET (glass transition, crystallization and melting temperature). The temperature recorder of the nanocomposite was obtained using differential scanning calorimetry. The nanocomposite sample was heated from ambient temperature to 300 占 폚 at 10 占 폚 / min under a nitrogen atmosphere and maintained at 300 占 폚 for 1 minute (first heating cycle), then cooled to 25 占 폚 at 10 占 폚 / min, min (first cooling cycle), and then reheated (second heat cycle) to 10O0C / min to 300 < 0 > C. The sonicated PET pellets were also analyzed for changes in thermal properties.
제1 가열 사이클로부터, 결정화도 (Xc)를 결정하기 위해 용융 파라미터 (온도, 융해열) 및 결정화열을 수득하였다. 결정화 반감기 (t1/2)를 결정하기 위해, 제1 냉각 사이클로부터 용융 결정화 온도 (Tc) 및 개시 온도 (Ton)를 수득하였다. 결정화도는 하기 방정식을 사용하여 계산될 수 있다:From the first heating cycle, the melting parameters (temperature, heat of fusion) and the heat of crystallization were obtained to determine the degree of crystallization (X c ). To determine the crystallization half-life (t 1/2 ), melt crystallization temperature (T c ) and initiation temperature (T on ) were obtained from the first cooling cycle. The crystallinity can be calculated using the following equation:
여기서, ΔHf는 융해열이고, ΔHcc는 결정화열 (저온 결정화)이고, ΔHc 0는 100% 결정질 중합체에 대한 융해열 (PET의 경우 140.1 J/g)이며, wf는 나노복합체 중의 보강재 상의 중량 분율이다.Where ΔH f is the heat of fusion, ΔH cc is the crystallization heat (low temperature crystallization), ΔH c 0 is the heat of fusion for the 100% crystalline polymer (140.1 J / g for PET), w f is the weight of the stiffener in the nanocomposite Fraction.
결정화 반감기는 하기 방정식을 사용하여 결정하였다:The crystallization half-life was determined using the following equation:
여기서, Ton은 결정화 개시 온도이고, Tc는 결정화 온도이며, X는 냉각 속도 (여기서, 10℃/min)이다.Here, T on is a crystallization start temperature, T c is a crystallization temperature, and X is a cooling rate (here, 10 ° C / min).
중합체 흐름 거동은 보강재 (마이크로 또는 나노)의 첨가에 의해 영향을 받는 것으로 공지되어 있다. 나노복합체의 흐름 특성을 연구하는 것은 그의 가공에 유용하다. 용융 레올로지는 PET의 흐름 특성에 대한 그래핀의 효과를 이해하기 위해 연구하였다. 나노복합체 펠릿에 대한 레오그래프는 전자 제어형 가열 및 25 mm 직경 평행 판 기하구조가 구비된 회전 레오미터를 사용하여 획득하였다. 샘플은 수분을 제거하기 위해 170℃의 오븐에서 12시간 동안 건조시켰다. 평행 판들 사이에 놓여진 PET 및 나노복합체 펠릿을 N2 분위기 하에 260℃에서 1 mm 두께로 용융 가압하였다 (도 22에 제시된 바와 같음). 샘플의 선형 점탄성 영역 (재료 응답이 변형 진폭과 무관한 영역)은 1 Hz 주파수에서 변형률 스윕을 가동함으로써 결정하였다. PET에 대한 선형 점탄성 영역 내에서 1% 변형률로 모든 샘플에 대해 100 rad/s에서부터 0.1 rad/s로의 동적 주파수 스윕을 획득하였다.It is known that polymer flow behavior is affected by the addition of stiffeners (micro or nano). Studying the flow characteristics of nanocomposites is useful for their processing. Melting rheology was studied to understand the effect of graphene on the flow characteristics of PET. The rheographs for the nanocomposite pellets were obtained using a rotary rheometer equipped with electronically controlled heating and a 25 mm diameter parallel plate geometry. The samples were dried in an oven at 170 DEG C for 12 hours to remove moisture. A parallel PET pellets and nanocomposite sandwiched between the plates N was molten in a thickness of 1 mm 2 at 260 ℃ under atmosphere pressure (as shown in FIG. 22). The linear viscoelastic region of the sample (region where the material response is independent of the deformation amplitude) was determined by running a strain sweep at a frequency of 1 Hz. A dynamic frequency sweep from 100 rad / s to 0.1 rad / s was obtained for all samples with 1% strain within the linear viscoelastic region for PET.
중합체 매트릭스 내로의 나노입자의 분산은 중합체-중합체 및 중합체-보강재 상호작용을 통해 중합체 쇄 얽힘을 증가시킨다. 얽힘의 증가는 중합체를 뻣뻣하게 하고, 고체 유사 (경질) 변형 거동을 나타내며, 이는 시험 주파수와 무관하다. 나노복합체의 경질 거동으로의 전이는 보강재의 연결 망상구조가 형성될 때 임계 중량 분율 (퍼콜레이션 역치)에서 발생한다. 모듈러스의 동적 주파수 스윕은 중합체 및 보강재 상 둘 다로부터의 정보를 제공한다. 고주파수 모듈러스가 중합체 매트릭스에 의해 지배되는 경우, 재료의 저주파수 응답은 보강재에 의해 지배된다. 따라서, 퍼콜레이션 부피 분율은 나노복합체의 저주파수 모듈러스에 기반하여 수득될 수 있다. 퍼콜레이션 부피 분율에서의 보강재의 평균 종횡비는 하기 방정식을 사용하여 결정될 수 있다.Dispersion of the nanoparticles into the polymer matrix increases polymer chain entanglement through polymer-polymer and polymer-reinforcement interactions. The increase in entanglement stiffens the polymer and exhibits a solid-like (rigid) strain behavior, which is independent of the test frequency. Transition to hard behavior of nanocomposites occurs at the critical weight fraction (percolation threshold) when the backbone network of the stiffener is formed. The dynamic frequency sweep of the modulus provides information from both the polymer and the stiffener material. When the high frequency modulus is dominated by the polymer matrix, the low frequency response of the material is dominated by the stiffener. Thus, the percolation volume fraction can be obtained based on the low frequency modulus of the nanocomposite. The average aspect ratio of the stiffener in the percolation volume fraction can be determined using the following equation.
여기서, φ구체는 랜덤하게 패킹된 중첩 구체에 대한 퍼콜레이션 부피 분율 (여기서, 0.30인 것으로 간주됨)이고, φper은 나노복합체에 대한 퍼콜레이션 부피 분율이다.Where the phi sphere is the percolation volume fraction for the randomly packed superimposed sphere (here assumed to be 0.30), and [phi] per is the percolation volume fraction for the nanocomposite.
라만 분광법은 그래핀의 품질을 특징규명하는데 가장 폭넓게 사용되는 기술이다. 나노복합체의 경우, 여러 연구에는 그래핀의 품질과 중합체-그래핀 시스템 간의 상호작용의 특징규명을 위해 라만 분광법을 적용하는 것이 보고되어 있다. 단층 그래핀의 특징적인 라만 스펙트럼은 sp2 탄소 재료의 C-C 신장에 상응하는 1580 cm-1 근처에 피크 (G-밴드)를 가질 것이고, 2680 cm-1 근처 (G'-밴드)는 상응하는 고차 모드이다. 그래핀 중의 결함의 존재는 1350 cm-1 근처에 상이한 라만 피크 (D-밴드)를 유발할 수 있으며, 이는 그래핀의 품질을 분석하는데 유용하다. 다층 그래핀의 경우, 다층 그래핀에 대한 n=7까지의 층의 수는 G-밴드 (~1580 cm-1)의 강도에 기반하여 산정될 수 있고, 2D-밴드 또는 G'-밴드 (~2680 cm-1)의 형상은 n=4까지의 층을 규명하는데 사용될 수 있다. 현재 연구에서, 그래핀 나노소판의 분산을 평가하고, 또한 PET 분자 쇄 내 페닐 고리와 그래핀 층 간의 π-π 상호작용을 알아내기 위해 라만 분광법을 사용하였다. PET 페닐 고리와 그래핀의 상호작용은 페닐 고리의 C-C 신장 (1617 cm-1)과 관련된 라만 밴드의 이동을 제시하는 것으로 밝혀졌다.Raman spectroscopy is the most widely used technology to characterize graphene quality. In the case of nanocomposites, several studies have reported the application of Raman spectroscopy to characterize the interaction between the quality of graphene and the polymer-graphene system. Yes single layer will have the characteristic Raman spectrum of the peak pin (G- band) near 1580 cm -1 corresponding to the CC height of sp 2 carbon material, 2680 cm -1, near (G'- band) corresponds to high-order Mode. The presence of defects in graphene can cause different Raman peaks (D-band) near 1350 cm -1 , which is useful for analyzing the quality of graphene. In the case of multilayer graphene, the number of layers up to n = 7 for multilayer graphene can be estimated based on the intensity of the G-band (~ 1580 cm -1 ) and the 2D-band or G'-band 2680 cm -1 ) can be used to identify layers up to n = 4. In the present study, Raman spectroscopy was used to evaluate the dispersion of graphene nanoparticles and to determine the π-π interaction between the phenyl ring in the PET molecular chain and the graphene layer. The interaction of the PET phenyl ring with graphene was found to indicate the migration of the Raman band associated with the CC stretch of the phenyl ring (1617 cm -1 ).
PET 및 PET-GNP 나노복합체에 대한 라만 스펙트럼은 20 μm 스폿 크기와 함께, 2 mW 레이저 출력에서 532 nm (그린 광) 레이저 여기를 사용하여 수집하였다. C-C (1617 cm-1) 밴드 위치의 변화는 각각의 GNP 중량 분율에 대해 수집된 스펙트럼에 대한 개별 피크 핏 (가우시안 핏)을 수행함으로써 평가하였다.Raman spectra for PET and PET-GNP nanocomposites were collected using a 532 nm (green light) laser excitation at 2 mW laser power with a 20 μm spot size. The change in CC (1617 cm -1 ) band position was assessed by performing individual peak pits (Gaussian pits) on the collected spectra for each GNP weight fraction.
마이크로구조 분석Microstructure analysis
이해되는 바와 같이, 나노복합체의 영상화는 중합체 특성을 개선하는데 있어서의 나노입자의 역할을 이해하는 것을 필요로 한다. 나노보강재는 중합체 매트릭스와 가능한 광범위한 상호작용 때문에 유리한 것으로 간주된다. 따라서, 상호작용의 정도를 가시화하는 것이 필요하며, 이는 분산 수준에 좌우된다. 또한, 실제 마이크로구조 정보는 나노복합체의 거동을 모델링하는데 유익하고, 엔지니어링 재료에 도움이 된다. 전자 현미경검사 및 X선 회절은 분산을 연구하는데 사용되는 가장 통상적인 기술이다. 이들 기술 둘 다는 종종 서로 뒷받침하여 사용된다.As will be appreciated, imaging of nanocomposites requires understanding of the role of nanoparticles in improving polymer properties. Nano stiffeners are considered to be advantageous because of the broadest possible interaction with the polymer matrix. Thus, it is necessary to visualize the degree of interaction, which depends on the level of dispersion. In addition, actual microstructure information is useful for modeling the behavior of nanocomposites and is helpful for engineering materials. Electron microscopy and X-ray diffraction are the most common techniques used to study dispersion. Both of these techniques are often used with each other.
PET 매트릭스 내부의 그래핀 나노소판은 주사 전자 현미경검사 (SEM)에 의해 이미지화하였다. PET, 및 PET-GNP 나노복합체의 파열 표면의 SEM 현미경사진을 수득하였다. PET 대조군, 및 보다 낮은 그래핀 함량 (2% 이하)을 갖는 나노복합체는 발저스 유니온(Balzers Union) MED 010 코팅기를 사용하여 Au/Pt 코팅하였다.The graphene nano platelet inside the PET matrix was imaged by scanning electron microscopy (SEM). SEM micrographs of the ruptured surface of PET and PET-GNP nanocomposites were obtained. A PET control and a nanocomposite with a lower graphene content (2% or less) were Au / Pt coated using a Balzers Union MED 010 coater.
나노복합체 인장 막대는 공정 결함 (예를 들어, 공극)의 존재를 평가하기 위해 초음파로 이미지화하였다. 음향 현미경을 사용하여 나노복합체에 대한 초음파 '벌크 스캔'을 획득하였다. 주사는 122 μm의 스폿 크기 및 0.5" 초점 길이와 함께 30 MHz의 초음파 주파수에서 수행하였다. 초음파 투과를 최대화하기 위해, 주사 공정 동안 물과 같은 액체 매질을 프로브와 샘플 사이에 사용하였다. 84 μm의 픽셀 피치로 초음파 현미경사진을 기록하였다.Nanocomposite tensile rods were imaged with ultrasound to assess the presence of process defects (e.g., voids). Ultrasonic 'bulk scan' for nanocomposites was obtained using an acoustic microscope. The scan was performed at an ultrasonic frequency of 30 MHz with a spot size of 122 μm and a 0.5 "focal length. To maximize ultrasonic transmission, a liquid medium such as water was used between the probe and the sample during the injection process. Ultrasonic micrographs were recorded at pixel pitch.
그래핀 나노소판의 박락을 분석하기 위해, 투과 전자 현미경검사 (TEM)를 수행하였다. 5% 및 15% GNP 중량 분율 인장 막대에 대한 나노복합체 박편 (70 nm의 두께)을 마이크로토밍하고, 200 kV의 작동 전압에서 투과 전자 현미경 하에 이미지화하였다. PET와 GNP 간의 전자 밀도의 차이는 투과 전자 현미경사진에서 콘트라스트를 제공하였다. PET에 비해 더 높은 밀도의 그래핀 나노소판으로 인해, 그것들은 현미경사진에서 더 진한 영역으로서 인지될 수 있다. 나노소판 파라미터, 두께 및 길이 (직경)는 투과 전자 현미경사진의 보정 후 픽셀 수를 측정함으로써 수득하였다.Transmission electron microscopy (TEM) was performed to analyze the degradation of graphene nanofabrication. Nanocomposite flakes (70 nm thick) on 5% and 15% GNP weight fraction tension rods were microtomed and imaged under a transmission electron microscope at an operating voltage of 200 kV. The difference in electron density between PET and GNP provided contrast in the transmission electron microscope photographs. Due to the higher density of graphene nano-platelets compared to PET, they can be perceived as darker areas in the micrograph. Nanoplatelet parameters, thickness and length (diameter) were obtained by measuring the number of pixels after correction of the transmission electron micrograph.
투과 전자 현미경사진은 나노소판의 2D 치수를 제공한다. 그러나, 이 정보 단독으로는 중합체 매트릭스 중의 그의 분포를 정량화하기에 충분하지 않다. TEM 현미경사진으로부터의 정보에 기반하여 소판의 박락을 정량화하기 위해 '입자간 거리 (λd)' 파라미터를 사용할 수 있다. 2D 슬라이스로부터의 정보를 3D에 연관시키기 위한 입체학적 관계에 기반하여 개발된 입자간 거리는 입자들 간에 직선으로 측정된 평균 거리이다. 이진화 TEM 현미경사진을 사용하여, 입자간 거리 (λd)는 하기에 주어진 방정식 (9)에 기반하여 결정하였다. 단위 부피당 계면 면적 (SV)P-G는 현미경사진의 단위 면적당 존재하는 나노소판의 합쳐진 둘레를 측정함으로써 수득될 수 있다.Transmission electron micrographs provide 2D dimensions of the nanosplane. However, this information alone is not sufficient to quantify its distribution in the polymer matrix. The 'inter-particle distance (λ d )' parameter can be used to quantify the dissolution of platelets based on information from TEM micrographs. The interparticle distance developed based on the steric relationship to associate information from 2D slices to 3D is the average distance measured linearly between particles. Using a binarized TEM micrograph, the inter-particle distance (lambda d ) was determined based on the equation (9) given below. The interfacial area per unit volume (S V ) PG can be obtained by measuring the combined perimeter of the nano platelets present per unit area of the micrograph.
여기서, VV는 나노소판의 부피 분율이고, (SV)P-G는 시편의 단위 부피당 중합체-나노소판 계면 면적이며, LA는 2D 현미경사진의 단위 면적당 소판의 총 둘레이다.Where V V is the volume fraction of nano-platelet, (S V ) PG is the polymer-nanosepoxide interface area per unit volume of the specimen, and L A is the total circumference of the platelets per unit area of the 2D micrograph.
중합체 중에 분산된 공지된 두께 (t) 및 종횡비 (Af)를 갖는 나노소판이 디스크 형상인 것을 고려하면, 이론적 입자간 거리는 하기 방정식을 사용하여 산정될 수 있고, 이는 방정식 (9) 및 (10)에 의해 수득될 수 있다:Considering that the nanosplane having a known thickness t and an aspect ratio A f dispersed in a polymer is disc-shaped, the theoretical inter-particle distance can be estimated using the following equation, ): ≪ RTI ID = 0.0 >
여기서, VV는 나노소판의 부피 분율이고, Af는 나노소판 종횡비이고, t는 나노소판 두께이며, λd는 입자간 거리이다.Where V v is the volume fraction of the nanosplan, A f is the nanoseparator aspect ratio, t is the nanosubstance thickness, and λ d is the inter-particle distance.
X선 회절은 나노소판들 간의 간격을 측정함으로써 중합체 매트릭스 내 나노소판의 분산 상태를 이해하는데 도움을 준다. 단층 그래핀은 2차원 (2D) 육각형 격자를 갖는다. 흑연과 유사한 3D 구조를 갖는 그래핀 나노소판은 (002) 및 (004) 면 (Cu Kα X선에 대해 26.6° 및 54.7° 2θ)에 상응하는 "그래핀-2H" 특징 반사를 나타낸다. 삼사정 결정 구조를 갖는 PET는 주로, (010), (110), (100) 및 (105) (Cu Kα X선에 대해 17.5°, 22.5°, 25.6° 및 42.6° 2θ) 면 [48]에 상응하는 반사를 나타낸다. 비결정질 PET는 약 20° 2θ에서 폭넓은 할로를 나타낸다.X-ray diffraction helps to understand the dispersion state of nano-platelet in the polymer matrix by measuring the spacing between nanoparticles. The single-layer graphene has a two-dimensional (2D) hexagonal lattice. Graphene nano platelet having a 3D structure similar to graphite exhibits "graphene-2H" characteristic reflections corresponding to (002) and (004) planes (26.6 ° and 54.7 ° 2θ for Cu K α X-rays). PET is mainly, having a three circumstances crystal structure (010), (110), (100) and (105) (Cu K α 17.5 ° on X-ray, 22.5 °, 25.6 ° and 42.6 ° 2θ) surface [48] ≪ / RTI > Amorphous PET shows broad halo at about 20 ° 2θ.
나노복합체의 회절 패턴은 결정화도 측정을 위한 반사율로 2D 검출기 및 마이크로 회절 및 0.5 mm 콜리메이터를 사용하여 수집하였다. Cu Kα X선 방사 (λ = 1.54184 Å)를 60 sec의 주사 시간으로 사용하였다. 퍼센트 결정화도는 방정식 (11)을 사용하여 비결정질 및 결정질 분율에 기초하여 결정할 수 있다:The diffraction pattern of the nanocomposite was collected using a 2D detector and microdiffraction and a 0.5 mm collimator as the reflectance for crystallinity measurement. Cu K α X-ray radiation (lambda = 1.54184 A) was used with an injection time of 60 sec. Percent crystallinity can be determined based on amorphous and crystalline fractions using equation (11): < RTI ID = 0.0 >
여기서, Ac는 결정질 기여도이며, Aa는 비결정질 기여도이다.Where A c is the crystalline contribution and A a is the amorphous contribution.
기기 기하구조와 관련된 샘플 기하구조 (I - 사출 흐름 방향, T1 - 단면의 더 긴 치수, 및 T2 - 두께)는 도 23에 제시되어 있다. 선택적 배향의 존재를 가리키는, PET 및 그래핀에 대한 부분 회절 고리를 제시하는 2-D 회절 프레임은 도 23에 제시되어 있다. 회절 및 단층촬영을 위해 사용된 나노복합체 샘플의 위치는 도 24에 제시되어 있다.The sample geometry associated with the instrument geometry (I - injection flow direction, T 1 - longer dimension of section, and T 2 - thickness) is shown in FIG. A 2-D diffraction frame is shown in FIG. 23 which presents partial diffraction rings for PET and graphene, indicating the presence of selective orientation. The location of the nanocomposite samples used for diffraction and tomography is shown in Fig.
인지되는 바와 같이, 전자 현미경검사는 작은 면적으로부터의 샘플의 2차원 마이크로구조 정보만을 제공한다. TEM의 경우, 샘플 크기는 단지 면적이 500 μm×500 μm이고 두께가 70 nm이다. 집속 이온 빔(focused ion beam, FIB)과 조합된 전자 현미경검사는 제3 방향을 따라 마이크로구조 정보를 얻는데 유용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, X선은 재료를 이미지화하는데 있어서 전자보다 특정 이점을 갖는다. 샘플 제법에 의한 단순성, 주위 또는 계내 환경의 선택, 및 재료에 대해 덜 유도된 손상은 주요 이점이다. X선 단층촬영은 재료의 3D 구조 세부사항의 재생을 가능케 하는 비-파괴 이미지화 기술이다.As will be appreciated, electron microscopy provides only two-dimensional microstructure information of the sample from a small area. For TEM, the sample size is only 500 μm × 500 μm in area and 70 nm in thickness. Electron microscopy combined with a focused ion beam (FIB) may be useful for obtaining microstructure information along the third direction. Nevertheless, X-rays have certain advantages over electrons in imaging materials. The simplicity of the sample preparation, the choice of ambient or in-situ environments, and less induced damage to the material are the main advantages. X-ray tomography is a non-destructive imaging technique that enables the reconstruction of 3D structural details of a material.
단층촬영은 조명된 물체로부터 투과 또는 반사 모드로 단면 정보를 수집하는 공정이다. 재료 및 기하구조 정보는 도 25에 예시된 바와 같이 X선의 투과 강도에 기반하여 기록 (방사선사진)된다. 이러한 투과 강도는 하기 방정식에 따라 재료의 X선 흡수 계수 및 밀도에 기반한 재료 정보와 관련될 수 있다:Tomographic imaging is the process of collecting cross-sectional information from an illuminated object in a transmissive or reflective mode. The material and geometry information are recorded (radiographed) based on the transmission intensity of the X-rays as illustrated in Fig. This transmission intensity can be related to material information based on the X-ray absorption coefficient and density of the material according to the following equation:
여기서, I는 투과된 X선 강도이고, I0은 초기 X선 강도이고, μm은 재료의 질량 감쇠 계수이고, ρ는 재료 밀도이며, x는 재료 두께이다. 방사선사진은 푸리에 변환 기반 알고리즘을 사용하여 단면 슬라이스 (단층촬영사진)로 재구축된다. X선 및 검출기 광학장치 분야의 개발은 훨씬 더 작은 면적 상에 빔을 집속하여 나노규모 해상도를 얻는 것을 가능케 한다.Here, I is the transmitted X-ray intensity, I 0 is the initial X-ray intensity, and μ m is the mass attenuation coefficient of the material, ρ is the material density, x is the material thickness. Radiographs are reconstructed with cross-sectional slices (tomography) using Fourier transform-based algorithms. The development of X-ray and detector optics has enabled the beam to be focused on much smaller areas to obtain nanoscale resolution.
현재 연구에서, 3차원의 나노소판 분포의 이해를 목적으로 2가지 상이한 샘플 (나노복합체 인장 막대 및 인장 튜브)에 대해 X선 나노단층촬영을 시도하였다. 15% 인장 막대로부터 수집된 샘플의 나노단층촬영은 스카이스캔 2011 나노-CT 기기 상에서 272 nm/픽셀 해상도로 수행하였다. 2% 중량 분율의 인장 튜브 샘플 (초음파 처리됨)에 대해, 내부 및 외부 표면으로부터의 쐐기형 구획을 엑스라디아 800 울트라 3D X선 현미경 상에서 150 nm/픽셀 해상도로 주사하였다. 재구축된 단층촬영사진은 3D 가시화 소프트웨어를 사용하여 가시화되었다.In the present study, two different samples (nanocomposite tensile rods and tensile tubes) were attempted with X-ray nano tomography for the purpose of understanding the distribution of the nanoparticles in three dimensions. Nano-tomography of samples collected from a 15% tensile bar was performed at 272 nm / pixel resolution on a SkyScan 2011 Nano-CT instrument. For the 2% weight fraction of the tensile tube sample (ultrasonicated), the wedge-shaped compartments from the inner and outer surfaces were injected at 150 nm / pixel resolution on an
나노복합체의 마이크로기계 모델링Micromechanical Modeling of Nanocomposites
연속 섬유 복합체는 종종 단순한 실험식 ("혼합 법칙"이라 지칭됨)에 기반하여 설계 또는 평가된다. 나노보강재의 경우, 혼합 법칙은 최종 특성을 부정확하게 예측한다. 이들은 연속 섬유 보강재가 아니라는 사실과 함께, 차이는 낮은 부피 분율, 매트릭스와 보강재 간의 유의한 특성 격차, 및 종횡비에 의해 영향을 받는다. 나노복합체에 있어서, 나노소판과 매트릭스 간의 공간적 상호작용은 그의 탄성 거동을 결정하는데 중요하다. 매트릭스-보강재 계면에서 상호작용과 조합된 나노소판의 높은 종횡비는 나노복합체 특성 산정을 복잡하게 한다. 따라서, 나노입자에 대한 기계적 특성을 산정하기 위해 통상적인 마이크로기계 모델을 변경하였다.Continuous fiber composites are often designed or evaluated based on simple empirical formulas (referred to as "mixing rules"). For nano-stiffeners, the mixing law incorrectly predicts the final properties. Along with the fact that they are not continuous fiber reinforcements, the differences are influenced by the low volume fraction, the significant characteristic difference between the matrix and the reinforcement, and the aspect ratio. In nanocomposites, the spatial interaction between the nanosplane and the matrix is important in determining its elastic behavior. The high aspect ratio of the nanosplane combined with the interaction at the matrix-stiffener interface complicates the characterization of nanocomposite properties. Therefore, the conventional micromechanical model was changed to estimate the mechanical properties for nanoparticles.
보강재로서의 그래핀 나노소판의 유효성의 이해를 목적으로, PET-GNP 나노복합체의 이론적인 탄성 기계적 성능을 결정하기 위해 할핀-차이 및 후이-시아 모델과 같은 마이크로기계 모델을 사용하였다. 이들 모델은 복합체 특성의 예측을 위한 연속체 기반 모리-다나카 및 힐 방법의 단순화된 마이크로기계적 관계였으며, 이들 모델 둘 다는 단방향 복합체에 대해 설계된다. 중합체 내로 분산된 나노소판의 종횡비는 투과 전자 현미경사진으로부터 결정될 수 있다. 할핀-차이 모델에서, 복합체의 종방향 모듈러스 (E11)는 하기 방정식을 사용하여 예측된다:For the purpose of understanding the effectiveness of graphene nanosophen as a reinforcing material, micromechanical models such as halftone-difference and Hui-shea models were used to determine the theoretical elastic mechanical performance of PET-GNP nanocomposites. These models were a simplified micromechanical relationship of the continuum-based Mori-Tanaka and Hill methods for predicting composite properties, both of which are designed for unidirectional composites. The aspect ratio of the nanosplane dispersed in the polymer can be determined from a transmission electron microscope photograph. In the halftone-difference model, the longitudinal modulus (E 11 ) of the composite is predicted using the following equation:
여기서, Af는 나노-보강재의 종횡비 (D/t)이고, φ는 보강재의 부피 분율이며, Er은 보강재 모듈러스 대 매트릭스 모듈러스 (Em)의 비이다.Where A f is the aspect ratio of the nano-stiffener (D / t), φ is the volume fraction of the stiffener and E r is the ratio of the stiffener modulus to the matrix modulus (E m ).
후이-시아 모델의 경우, 모듈러스 예측은 하기 방정식을 사용하여 이루어진다:In the case of the Hui-Xia model, the modulus prediction is made using the following equation:
여기서, φ는 보강재의 부피 분율이고, α는 역 종횡비 (t/D)이고, Em은 매트릭스 (PET)의 영 모듈러스이며, Ef는 보강재 상 (그래핀 나노소판)의 영 모듈러스이다.Here, φ is the volume fraction of the reinforcing material, α is the inverse aspect ratio (t / D), E m is the Young's modulus of the matrix (PET), E f is the Young's modulus of the reinforcing material (graphene nano-platelets).
결과result
PET 특성의 개선을 목적으로, 그래핀 나노소판을 PET와 배합하고, 특정 부하율의 나노복합체로 사출 성형하였다. 이 공정으로부터 수득된 나노복합체를 그래핀 나노소판의 유효성을 이해하기 위해 그의 기계적, 열적 및 유변학적 특성에 대해 평가하였다.For the purpose of improving the PET properties, graphene nanotubes were blended with PET and injection molded with a nanocomposite having a specific load ratio. The nanocomposites obtained from this process were evaluated for their mechanical, thermal and rheological properties in order to understand the effectiveness of graphene nanosophene.
평균 분자량Average molecular weight
평균 분자량은 다음 샘플에 대해 겔 투과 크로마토그래피 (GPC)로부터 수득하였다: 대조군 PET, 초음파 처리된 PET, 초음파 처리된 나노복합체 마스터-배치 (5% GNP), 및 5% GNP 중량 분율을 갖는 이축-스크류 배합된 마스터-배치. 유사한 GNP 중량 분율을 갖는 마스터-배치를 비교하면 그래핀 존재로 인해 발생된 변화를 이해하는데 도움이 될 수 있다.The average molecular weight was obtained from gel permeation chromatography (GPC) for the following samples: control PET, sonicated PET, ultrasonicated nanocomposite master-batch (5% GNP), and biaxial- Screwed master-batch. Comparing master-batches with similar GNP weight fractions can help to understand the changes caused by the presence of graphene.
도 26에 제시된 중량 평균 분자량 (Mw)에 기반하여, 하기 관찰이 이루어졌다. 첫째, 평균 분자량은 초음파 처리와 관계없이 이축-스크류 가공과 함께 변화한다. 단독의 초음파 처리를 통한 분자량의 감소는 이축-스크류 배합으로부터의 강하에 비해 덜 유의하다.Based on the weight average molecular weight (M w ) presented in Figure 26, the following observations were made. First, the average molecular weight changes with biaxial-screw machining regardless of ultrasonic treatment. The reduction in molecular weight through a single sonication is less significant than the drop from the biaxial-screw formulation.
상기 관찰에 추가로, 분자량의 강하는 그래핀의 존재와 함께 증가함을 또한 인지하였다. 분자량 측정으로부터, 초음파 처리된 샘플은 5% GNP를 갖는 나노복합체에 대해 1.8 및 1.9의 다분산도 (중량 평균 대 수 평균 분자량의 비)를 제시한 바 있다.In addition to this observation, it was also recognized that the drop in molecular weight increased with the presence of graphene. From molecular weight measurements, the sonicated samples showed a polydispersity (ratio of weight to number average molecular weight) of 1.8 and 1.9 for nanocomposites with 5% GNP.
고유 점도Intrinsic viscosity
고유 점도 (I.V.)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 특성을 비교하는 논의와 관련하여 가장 통상적으로 표기되는 숫자이다. 따라서, 도 27에 제시된 PET 및 초음파 처리된 PET 샘플의 고유 점도는 중합체 용해된 용매를 사용하여 모세관 점도계에 의해 수득되었다.The intrinsic viscosity (I.V.) is the most commonly expressed number in connection with the discussion of comparing the properties of polyethylene terephthalate. Thus, the intrinsic viscosity of the PET and sonicated PET sample presented in Figure 27 was obtained by capillary viscometers using polymer dissolved solvents.
실험적으로 수득된 점도와, 방정식 5를 사용하여 중량 평균 분자량에 의해 계산된 점도와의 상관관계에 의해, 마크-후윙크 파라미터 'K' 및 'a'는 각각의 값 0.00047 및 0.658로 최적화되었다. 새로운 상수들을 사용하여, 나노복합체 샘플에 대한 고유 점도를 수득하였다. PET 및 PET 나노복합체 샘플 둘 다에 대해 계산된 점도 값은 도 28에 나타나 있다.By the correlation between the experimentally obtained viscosity and the viscosity calculated by the weight average molecular weight using the
실험적으로 수집된, 계내 중합된 PET 및 나노복합체 펠릿에 대한 고유 점도는 도 29에 제시되어 있으며, 이들 모두는 0.6 dL/g 정도의 점도를 제시한다.The intrinsic viscosity for the experimentally collected, in-situ polymerized PET and nanocomposite pellets is shown in Fig. 29, both of which show a viscosity of the order of 0.6 dL / g.
기계적 거동Mechanical behavior
인장 막대 샘플에 대한 응력-변형률 곡선은 도 30에 나타나 있다. 응력-변형률 곡선의 초기 영역으로부터 영 모듈러스를 수득하였다. 나노복합체 인장 막대에 대한 영 모듈러스 및 강도 데이터 (세트-A)는 도 31에 나타나 있다. 대조군 PET와 비교할 때 나노복합체의 강도의 감소가 관찰되었다. 추가로, 나노복합체는 대조군 PET 샘플에 비해, 연신율의 손실과 함께 취성 파손을 가졌다.The stress-strain curve for the tensile rod sample is shown in Fig. Young's modulus was obtained from the initial region of the stress-strain curve. The zero modulus and intensity data (set-A) for the nanocomposite tensile rod are shown in Fig. A decrease in the strength of the nanocomposite was observed compared to control PET. In addition, the nanocomposites had brittle fracture with loss of elongation compared to control PET samples.
외주 고정물을 사용하여, 도 32a-32b에 제시된 PET 및 나노복합체 인장 튜브 및 막대를 그의 기계적 특성에 대해 시험하였다. PET 및 나노복합체의 영 모듈러스 및 인장 강도는 도 33에 제시되어 있다. 인장 튜브로부터의 PET 모듈러스는 인장 막대 샘플보다 더 작은 것으로 밝혀졌는데 (0.2 GPa의 차이), 이는 인장 막대가 더 느린 냉각 (19%)으로 인해 열 결정화도를 나타내기 때문이다. 나노복합체의 모듈러스는 GNP 함량의 증가와 함께 증가하였다. 그러나, 나노복합체의 강도는, 2% 샘플의 경우를 제외하고는, PET와 동일하게 유지되었다. PET 인장 막대 (2% GNP), 및 낮은 GNP 중량 분율 (0.6% 및 1.2% GNP)의 나노복합체 인장 튜브에 대한 응력-변형률 곡선은 도 34에 비교되어 있다. 도 34는 나노복합체가 PET보다 더 강성 (응력-변형률 곡선 하 면적)임을 제시한다. 2% 나노복합체에 대한 영 모듈러스는 사용된 2가지 상이한 사출 성형 공정과 동일하였다 (3.1 GPa). 그러나, 2% GNP 부하를 갖는 나노복합체 튜브는 더 낮은 중량 분율과 관련한 파손 유형에서 벗어났다. 2% GNP 부하에서, 나노복합체는 단지 1% 변형률만을 나타냈으며, 이는 1.2% GNP 부하에 대한 파손 변형률 (400%)에 비해 유의하게 더 낮다.Using the outer fixture, the PET and nanocomposite tensile tubes and rods shown in Figures 32a-32b were tested for their mechanical properties. The Young's modulus and tensile strength of PET and nanocomposites are shown in FIG. The PET modulus from the tensile tube was found to be smaller than the tensile bar sample (0.2 GPa difference), because the tensile bar exhibits thermal crystallinity due to slower cooling (19%). The modulus of nanocomposites increased with increasing GNP content. However, the strength of the nanocomposite remained the same as that of PET, except for the 2% sample. The stress-strain curves for nanocomposite tensile tubes of PET tensile rods (2% GNP) and low GNP weight fractions (0.6% and 1.2% GNP) are compared in FIG. Figure 34 shows that the nanocomposite is stiffer (less stress-strain curve area) than PET. The Young's modulus for the 2% nanocomposite was the same as for the two different injection molding processes used (3.1 GPa). However, nanocomposite tubes with a 2% GNP load deviate from the type of breakdown associated with lower weight fractions. At 2% GNP loading, the nanocomposites exhibited only 1% strain, which is significantly lower than the breakage strain (400%) for a 1.2% GNP load.
마이크로 사출 성형 공정으로부터 수득된 PET 및 초음파 처리된 PET의 인장 막대를 그의 기계적 특성에 대해 시험하였다. 도 35에는 대조군 PET와 함께 초음파 처리된 PET에 대한 영 모듈러스 및 강도 데이터가 비교되어 있다. PET의 초음파 처리는 그의 모듈러스 및 강도에 대해 유의한 영향을 미치지 않은 것으로 관찰되었다. 그러나, 초음파 처리된 PET에 대한 극한 인장 강도 (파단 인장 강도)는 도 36에 제시된 바와 같이 유의하게 증가 (24%만큼)하였다.The PET obtained from the micro-injection molding process and the tensile rods of the ultrasonicated PET were tested for their mechanical properties. Figure 35 compares zero-modulus and intensity data for ultrasound treated PET with control PET. Ultrasonic processing of PET was observed to have no significant effect on its modulus and strength. However, the ultimate tensile strength (break tensile strength) for the ultrasound treated PET was significantly increased (by 24%) as shown in Fig.
초음파 처리된 마스터-배치 펠릿을 사용하여, 2% GNP 부하의 나노복합체 인장 튜브를 제조하였고, 이축-스크류 배합으로부터의 나노복합체와의 비교를 위해 시험하였다. 상이한 초음파 진폭으로 처리된 배합된 펠릿으로부터 제조된 나노복합체는 영 모듈러스 및 인장 강도의 개선을 제시한다. 3.5 μm 초음파 진폭에 의한 나노복합체에 대한 모듈러스의 개선은 도 37에 제시된 바와 같이 다른 초음파 처리에 비해 더 높았다 (2.7 GPa - 12% 개선). 그럼에도 불구하고, 초음파 처리된 2% 나노복합체에 대한 모듈러스의 증가는 2% GNP의 이축-스크류 배합된 나노복합체 (3.1 GPa - 24% 개선)에 비해 더 낮다. 초음파 처리된 나노복합체는 PET와 유사한 항복 거동을 나타내지만, 강도의 최대 개선은 단지 3%이다.Using sonicated master-batch pellets, nanocomposite tensile tubes with 2% GNP loading were prepared and tested for comparison with nanocomposites from biaxial-screw formulations. Nanocomposites prepared from blended pellets treated with different ultrasonic amplitudes suggest improved Young's modulus and tensile strength. The improvement in modulus for nanocomposites by 3.5 μm ultrasonic amplitude was higher (2.7 GPa - 12% improvement) as compared to other ultrasonic treatments, as shown in FIG. Nonetheless, the increase in modulus for the ultrasonically treated 2% nanocomposite is lower than for the 2% GNP biaxial-screw-blended nanocomposite (3.1 GPa - 24% improvement). Ultrasonic nanocomposites exhibit similar yield behavior to PET, but the maximum improvement in strength is only 3%.
초음파 처리된 마스터-배치의 희석을 통해 제조된 나노복합체는 기계적 특성의 변화를 이해할만큼 확실한 증거를 제공하지 못했다. 따라서, 초음파 처리된 마스터-배치 펠릿을 사용하여 (GNP 중량 분율의 희석 없이) 마이크로 사출 성형 시스템으로부터 5% GNP 중량 분율을 갖는 인장 막대를 수득하였다. 5% GNP 나노복합체 인장 막대의 영 모듈러스 및 인장 강도를 도 38에 제시된 바와 같이, 대조군 PET, 및 이축-스크류 배합 공정으로부터 5% 펠릿을 사용하여 제조된 인장 막대와 비교하였다. 강도 데이터는 초음파 진폭의 증가와 함께 인장 강도의 회복을 가리키지만, 모듈러스 데이터는 초음파 처리로부터의 개선이 정규 이축-스크류 혼합에 비해 유의하지 않음을 암시한다.Nanocomposites prepared through dilution of the sonicated master-batch did not provide sufficient evidence to understand the change in mechanical properties. Thus, an ultrasonic treated master-batch pellet was used to obtain a tensile bar with a 5% GNP weight fraction from the micro-injection molding system (without dilution of the GNP weight fraction). The Young's modulus and tensile strength of 5% GNP nanocomposite tensile rods were compared to tensile rods prepared using 5% pellets from control PET and biaxial-screw blending process, as shown in FIG. Strength data indicate the recovery of tensile strength with increasing ultrasonic amplitude, but the modulus data suggest that the improvement from ultrasonic treatment is not significant compared to regular biaxial-screw mixing.
중합 공정으로부터 수득된 PET 대조군 및 0.1% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체의 인장 막대를 그의 기계적 특성에 대해 시험하였다. 도 39에는 PET 및 상이한 표면적의 0.1% GNP를 갖는 나노복합체에 대한 영 모듈러스 및 강도 데이터가 비교되어 있다. 나노복합체의 모듈러스에서는 유의한 차이가 없지만, 강도는 2가지 상이한 경향을 나타내었다. 나노복합체의 극한 강도는 PET 대조군에 비해 유의한 (최소 16%) 개선을 제시한다. 반면, 나노복합체의 인장 강도는 PET에 비해 약간 (5%만큼) 감소하였다.The tensile bars of the PET control and the nanocomposite with 0.1% GNP weight fraction obtained from the polymerization process were tested for their mechanical properties. Figure 39 compares zero modulus and intensity data for nanocomposites with PET and 0.1% GNP at different surface areas. There was no significant difference in the modulus of the nanocomposite, but the strength showed two different tendencies. The ultimate strength of the nanocomposites suggests a significant (at least 16%) improvement over the PET control. On the other hand, the tensile strength of the nanocomposite was slightly (5%) lower than that of PET.
밀도 측정Density measurement
나노복합체에 대한 밀도는 아르키메데스 원리를 사용하여 측정하였다. 나노복합체의 밀도는 비결정질 PET 및 그래핀에 기반하여 산정된 이론적 값과 상이하였다. 성형된 PET 인장 막대와 인장 튜브 간의 밀도 비교는 인장 막대가 방정식 2에 기반하여 반결정질 (19% 결정화도)인 것으로 제시한다. 나노복합체 샘플로부터의 밀도 측정치는 혼합 법칙에 기반하여 이론적 값으로부터 벗어난다. 나노복합체의 강도를 더 잘 비교하기 위해, 밀도를 시험 전 샘플에 대해 수집하였고, 그를 사용하여 도 39a-39c에 나타낸 바와 같이 그의 비강도를 산정하였다. 도 39a-39c에 나타낸 비강도 값은 2% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체 인장 튜브를 제외하고는, GNP를 갖는 PET의 강도에서 유의한 손실 또는 개선을 제시하지 않는다.The density of the nanocomposites was measured using Archimedes' principle. The density of the nanocomposite was different from the theoretical value calculated based on amorphous PET and graphene. A comparison of the density between the molded PET tensile rod and the tensile tube suggests that the tensile rod is semi-crystalline (19% crystallinity) based on
주사 전자 현미경검사Scanning electron microscopy
PET와 나노복합체의 응력-변형률 곡선의 비교는 나노복합체 인장 막대의 파손 변형률 (연신율)은 감소함을 제시한다. 나노복합체의 파손에 대한 유형 및 이유를 이해하기 위해, 주사 전자 현미경사진을 수집하였다. 파열 표면 현미경사진은 도 40a 및 40b에 제시된 바와 같이 마이크로 공극의 존재를 제시한다. 펠릿 중에 존재하는 수분은 그의 가공 동안 공극을 유발할 수 있다. 따라서, 공극 근처에서의 응력 집중의 증가는 나노복합체 인장 막대의 강도 저하의 원인이 었다. 파열 표면 현미경사진 도 40b에 제시된 바와 같이 공극으로부터의 크랙의 개시는 상기와 같은 관찰을 입증한다.A comparison of the stress-strain curves of PET and nanocomposites suggests that the tensile strain (elongation) of nanocomposite tensile bars decreases. To understand the type and reason for the breakage of nanocomposites, scanning electron microscope photographs were collected. Ruptured surface micrographs present the presence of micropores as shown in Figures 40a and 40b. The water present in the pellets can cause voids during its processing. Thus, the increase in stress concentration near the voids was responsible for the strength degradation of the nanocomposite tensile bars. Rupture Surface Microscope Photograph The initiation of cracking from voids, as shown in Figure 40b, demonstrates this observation.
2% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체 인장 튜브의 파열 표면의 현미경사진으로부터 유사한 관찰이 이루어졌다. 나노복합체 인장 튜브는 도 41a 및 41b에 제시된 바와 같이 "연성 파열"의 신호를 제시하였다. 이와 같은 샘플 세트에서 관찰된 공극은 크기가 < 10 μm로 매우 작으며, 도 41a에서 화살표로 나타내었다. 마이크로 공극 주변의 피브릴 신장을 통한 중합체 매트릭스의 국재화된 연성 변형은 국부 응력 집중을 증가시킬 수 있다. 이와 같은 응력 집중의 증가는 크랙을 개시할 수 있고, 이는 나노복합체의 취성 파열로 이어진다.Similar observations were made from a micrograph of the rupture surface of a nanocomposite tensile tube with a 2% GNP weight fraction. The nanocomposite tensile tube presented a signal of "soft burst" as shown in Figures 41a and 41b. The pores observed in this sample set are very small, <10 μm in size, and are indicated by arrows in FIG. 41a. Localized ductile deformation of the polymer matrix through fibril stretching around the microvoids can increase local stress concentration. This increase in stress concentration can initiate cracking, leading to brittle fracture of the nanocomposite.
더 높은 배율에서, 그래핀 나노소판은 파열 표면이 관찰되었다. 도 42a-42d에 제시된 SEM 현미경사진에서 알 수 있는 바와 같이, 나노소판은 면에서 돌출되어 있으며, 이는 그것들이 파손 동안 노출되었고 하중 공유의 일부였음을 가리킨다. 더 높은 나노소판 함량 (15%)에서, 나노복합체의 마이크로구조는 보다 많은 국부 파열을 갖는 다른 것들과 상이하다. 나노복합체의 하나의 어려움은 투명 비결정질 샘플의 제조 능력이다. 투명 PET 인장 막대를 가지면, 공극과 같은 불량한 가공에 의해 야기된 결함을 제거하는데 도움이 된다. 이들 나노복합체는 진하기 때문에, 공극은 일반적으로 파괴 방법에 의해 시각적으로 관찰되기를 기다려야 한다.At higher magnification, the ruptured surface of the graphene nanotubes was observed. As can be seen in the SEM micrographs shown in FIGS. 42A-42D, nano-platelets protrude from the surface indicating that they were exposed during breakage and were part of load sharing. At higher nanoparticle content (15%), the microstructure of nanocomposites differs from others with more localized ruptures. One difficulty of nanocomposites is the ability to prepare transparent amorphous samples. Having a transparent PET tensile bar helps to remove defects caused by poor processing, such as voids. Since these nanocomposites are dense, the voids should generally be awaited to be visually observed by the breakdown method.
초음파 이미지화Ultrasonic imaging
공극을 이미지화하는 비-파괴 대안은 초음파 이미지화이다. 초음파 "벌크 스캔"으로부터의 인장 막대의 초음파 현미경사진은 도 43에 제시되어 있다. 이들 현미경사진은 인장 막대의 길이에 따른 공극의 존재를 제시한다. 현미경사진에 기반하여, 공극은 가공의 결과인 것으로 추정되었다. 추가로, 초음파 이미지화된 샘플의 밀도를 기계적 시험과 비교하여, 밀도의 편차는 공극의 존재로 인한 것임을 확인하였다.A non-destructive alternative to imaging voids is ultrasound imaging. An ultrasonic micrograph of the tensile bar from the ultrasound "bulk scan" is shown in FIG. These micrographs show the presence of voids along the length of the tensile bar. Based on the micrograph, the voids were estimated to be the result of processing. In addition, the density of the ultrasound imaged sample was compared to the mechanical test, confirming that the deviation in density was due to the presence of voids.
열 분석Thermal analysis
나노복합체의 용융 및 결정화 거동은 DSC 측정을 통해 분석하였다. 도 44에는, 이축-스크류 배합된 펠릿에 대한 GNP 중량 분율에 대해 플롯팅된, 제2 가열 사이클로부터의 유리 전이 (Tg) 및 용융 온도 (Tm), 및 제1 냉각 사이클로부터의 결정화 온도 (Tc)가 제시되어 있다. 용융 온도는 GNP 증가와 함께 더 높은 값으로 이동하였지만, 유리 전이는 15% 중량 분율에서의 경우를 제외하고는 감소 경향을 제시하였다. 도 44에 제시된 바와 같은 유리 전이 온도의 감소는 PET 매트릭스 내부의 나노소판의 응집에 기인한 것일 수 있다. 응집된 소판은 가소제로서 작용할 수 있고, 유리-전이 온도에 영향을 미칠 수 있다.The melting and crystallization behaviors of the nanocomposites were analyzed by DSC measurement. Figure 44 shows the glass transition (T g ) and melting temperature (T m ) from the second heating cycle, plotted against the GNP weight fraction for biaxially-screw-blended pellets, and the crystallization temperature (T c ). The melt temperature shifted to higher values with increasing GNP, but the glass transition showed a decreasing trend except at the 15% weight fraction. The reduction in glass transition temperature as shown in Figure 44 may be due to the agglomeration of the nanosplane within the PET matrix. The agglomerated platelets can act as plasticizers and can affect the glass-transition temperature.
결정화 및 용융 온도 둘 다는 GNP 함량의 증가와 함께 증가하였다. PET의 용융 온도는 결정 형상 및 크기에 의존적이다. 도 44에 제시된 바와 같이, GNP의 첨가는 용융 온도를 증가시킨다. 이는, 핵생성 자리 (즉, 나노소판)의 존재가 예상되고 더 높은 (10℃ 내지 18℃) 결정화 온도로 나타나는 더 크고 더 많은 완전 결정의 형성에 기인한 것일 수 있다. 용융 온도의 변화는 작지만, 결정화 온도는 GNP 함량의 증가와 함께 증가하였다. 결정화 온도의 증가는 GNP 존재로부터의 핵생성 효과에 기인한 것이고, 이는 GNP 중량 분율의 증가와 함께 더 강해진다. GNP 중량 분율과 함께 발열 피크의 형상 및 결정화 온도의 변화는 도 46에 제시되어 있다.Both crystallization and melting temperature increased with increasing GNP content. The melting temperature of PET is dependent on the crystal shape and size. As shown in Figure 44, the addition of GNP increases the melting temperature. This may be due to the formation of larger and more complete crystals, where the presence of nucleation sites (i.e., nanosplanes) is expected and is manifested by higher crystallization temperatures (10 ° C to 18 ° C). The change of the melting temperature was small, but the crystallization temperature increased with the increase of the GNP content. The increase in crystallization temperature is due to the nucleation effect from the presence of GNP, which is stronger with increasing GNP weight fraction. The shape of the exothermic peak and the change of the crystallization temperature together with the GNP weight fraction are shown in Fig.
도 46에 나타낸 나노복합체 펠릿에 대한 결정화 발열을 사용하여, 방정식 (7)에 의해 결정화 반감기 (t1/2)를 결정하기 위해 개시 온도 (Ton)를 수득하였다. GNP 함량의 증가와 함께 결정화 반감기 (결정화 속도의 역)는 증가하는 것으로 관찰되었다. 결정화 속도의 감소는, GNP 함량의 증가와 함께 PET 쇄 이동도가 영향을 받음을 가리킨다. 그 결과, 나노복합체의 결정화도는 도 45에 제시된 바와 같이, 더 높은 그래핀 부하에서 감소하였다.Using the crystallization exotherm for the nanocomposite pellets shown in Figure 46, the initiation temperature (T on ) was determined to determine the crystallization half-life (t 1/2 ) according to equation (7). With increasing GNP content, the crystallization half-life (inverse of the crystallization rate) was observed to increase. The decrease in crystallization rate indicates that PET chain mobility is affected with increasing GNP content. As a result, the crystallinity of the nanocomposite decreased at higher graphene loading, as shown in Fig.
제공된 대로의 사출 성형된 인장 막대에 대해 도 45 (우측)에서 나타낸 백분율 결정화도는 시차 주사 열량측정법 (DSC)을 통해 측정하였다. 사출 성형된 나노복합체에 대해 측정된 결정화도는 DSC를 통해 수득된 비-등온 결정화도와 유사한 경향을 제시한다. 이는 GNP의 증가가 PET의 조기 핵생성은 허용하지만 쇄 이동도를 제한한다는 상기 관찰을 입증한다.The percentage crystallinity as shown in Figure 45 (right) for the injection-molded tensile bars as provided was measured by differential scanning calorimetry (DSC). The crystallinity measured for injection molded nanocomposites presents a trend similar to the non-isothermal crystallinity obtained through DSC. This demonstrates the observation that the increase in GNP limits the chain mobility while allowing early nucleation of PET.
초음파 처리된 PET 및 PET-5% GNP 나노복합체 펠릿을 그의 열적 특성의 변화에 대해 분석하였다. 유리 전이 및 용융 온도는 도 47에 나타나 있다. PET의 유리 전이 온도는 무 초음파 조건 (0 USM)에 있어서 GNP의 첨가와 함께 감소하였다. 초음파 처리는 PET 및 PET 나노복합체 둘 다의 유리 전이 온도 (Tg)에 대해 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. PET에 있어서, 유리 전이는 7.5 μm 진폭에서의 경우를 제외하고는 감소 경향을 따랐다. PET에 대한 'Tg'의 변화는 초음파 진폭의 증가와 함께 중합체 연화를 가리킨다. 나노복합체에 대한 유리 전이 온도는 초음파 진폭과 함께 증가하였다. 그러나, 나노복합체의 'Tg'는 여전히 PET보다 더 낮았다. PET 및 PET-5% GNP 펠릿에 대한 결정화 온도는 194℃ 및 214℃에서 각각 초음파 진폭에 상관없이 일정하게 유지되었다.Ultrasonicized PET and PET-5% GNP nanocomposite pellets were analyzed for changes in their thermal properties. The glass transition and melting temperature are shown in Fig. The glass transition temperature of PET decreased with the addition of GNP under ultrasonic condition (0 USM). Ultrasonic treatment was observed to affect the glass transition temperature (T g ) of both PET and PET nanocomposites. For PET, the glass transition followed a decreasing trend except at 7.5 μm amplitude. The change in 'T g ' for PET refers to polymer softening with increasing ultrasonic amplitude. The glass transition temperature for nanocomposites increased with ultrasonic amplitude. However, the 'T g ' of the nanocomposite was still lower than that of PET. The crystallization temperatures for PET and PET-5% GNP pellets were kept constant at 194 캜 and 214 캜, respectively, regardless of the ultrasonic amplitude.
도 48에서 증명된 바와 같이, 초음파 처리된 PET에 대한 용융 흡열에서 다중 용융 피크가 관찰되었다. 다중 용융 피크는 상이한 결정 크기의 존재를 가리키고, 이는 잠재적으로 더 폭넓은 분자량 분포를 나타낸다.As evidenced in Figure 48, multiple melting peaks were observed in the melt endotherm for the sonicated PET. Multiple melting peaks indicate the presence of different crystal sizes, which potentially represent a broader molecular weight distribution.
PET에 대한 결정화 반감기 (t1/2)는 초음파 처리로 감소하였다. GNP의 첨가와 함께, 't1/2'은 도 49에 제시된 바와 같이 모든 초음파 진폭에 대해 증가하였다. 5 μm 진폭 조건 나노복합체에 대한 결정화 반감기의 증가는 다른 초음파 진폭에 비해 더 적었다. 초음파 처리된 PET에 대한 비-등온 결정화도는 7.5 μm 진폭의 경우를 제외하고는 진폭의 증가와 함께 증가하였다. 그래핀의 존재는 결정화도를 증가시켰으나, 결정화도의 최대 변화는 7.5 μm 진폭의 경우에서만 관찰되었다.The crystallization half-life (t 1/2 ) for PET was reduced by ultrasonication. With the addition of GNP, 't 1/2 ' increased for all ultrasonic amplitudes as shown in FIG. The increase in the half-life of crystallization for 5 μm amplitude-conditioned nanocomposites was smaller than for other ultrasonic amplitudes. The non-isothermal crystallinity for ultrasound treated PET increased with increasing amplitude except for the 7.5 μm amplitude. The presence of graphene increased the degree of crystallinity, but the maximum change in crystallinity was observed only at 7.5 μm amplitude.
마이크로 사출 성형으로부터 수득된, 초음파 처리된 PET 및 PET 나노복합체의 인장 막대를 백분율 결정화도에 대해 평가하였다. 유사한 조건 하에, 초음파 처리된 PET 샘플은 8% 결정화도를 갖고, 초음파 처리된 나노복합체는 11 내지 13% 결정화도를 갖는다.The tensile bars of the ultrasound treated PET and PET nanocomposites obtained from microinjection molding were evaluated for percent crystallinity. Under similar conditions, the ultrasonicated PET sample has a crystallinity of 8% and the ultrasonicated nanocomposite has a crystallinity of 11-13%.
계내 중합으로부터 수득된 PET 대조군 및 나노복합체를 그의 결정화 거동에 대해 평가하였다. 0.1% 부하에서, 더 높은 평균 표면적 (750 m2/g)을 갖는 그래핀 나노소판이 더 낮은 평균 표면적 (120 m2/g)을 갖는 나노소판에 비해 더 강한 핵생성 효과를 가졌다. 결정화 온도 및 비-등온 결정화도는 도 50에 제시된 바와 같이 고표면적 그래핀의 경우 더 높다.PET control and nanocomposites obtained from in situ polymerization were evaluated for their crystallization behavior. At 0.1% loading, graphene nano platelets with higher average surface area (750 m 2 / g) had a stronger nucleation effect than nano-platelets with lower average surface area (120 m 2 / g). The crystallization temperature and the non-isothermal crystallinity are higher in the case of high surface area graphenes as shown in FIG.
분산 연구Distributed research
PET 중의 나노소판 분산도를 이해하기 위해 나노복합체의 용융 레올로지를 연구하였다. 대조군 PET와 함께 이축-스크류 배합으로부터의 나노복합체 펠릿에 대한 동적 주파수 스윕은 도 51에 나타나 있다. PET의 전단 저장 모듈러스 (G')는 주파수와 함께 선형으로 감소하였다. PET에의 그래핀 나노소판의 첨가는 그 모듈러스 (G')를 개선시켰다. PET-2% GNP 나노복합체 펠릿의 경우, 모듈러스 (G')는 선형 영역 (의존적)으로부터 0.3 rad/s 미만의 플래토 (각 주파수와 무관함)로 전이하였다. 5% 나노복합체에 대한 이와 같은 전이점은 64 rad/s 주파수까지 이동하였다. 10% 및 15% GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체는, 1.6 mm의 간극 (평행 판들 사이의 용융물 두께)으로 320℃에서 시험할 때에도 경질 거동을 나타내었다. 이축-스크류 배합된 PET-GNP 나노복합체에 대한 퍼콜레이션 역치 (φper)는 도 52에 예시된 바와 같이, 2% 및 5% 샘플에 대한 0.1 rad/s에서의 G' 값의 선형 회귀에 기반하여 1.75 %wt. (1.1 %vol.)인 것으로 결정되었다. 퍼콜레이션 역치에서의 나노소판 종횡비는 방정식 (8)에 기반하여 40으로 평가되었다.In order to understand the dispersion of nano-scatters in PET, we studied the rheology of nanocomposites. The dynamic frequency sweep for the nanocomposite pellets from the biaxial-screw blend with the control PET is shown in FIG. The shear storage modulus (G ') of PET decreased linearly with frequency. The addition of graphene nanosplan to PET improved its modulus (G '). For the PET-2% GNP nanocomposite pellets, the modulus (G ') was transferred from a linear region (dependent) to a plateau (independent of angular frequency) of less than 0.3 rad / s. This transition for the 5% nanocomposite migrated to a frequency of 64 rad / s. Nanocomposites with 10% and 15% GNP weight fractions also exhibited rigid behavior when tested at 320 DEG C with a gap of 1.6 mm (melt thickness between parallel plates). The percolation threshold (φ per ) for biaxially-screw-blended PET-GNP nanocomposites is based on a linear regression of the G 'value at 0.1 rad / s for the 2% and 5% samples, as illustrated in FIG. 1.75% wt. (1.1% vol.). The nano platelet aspect ratio at percolation threshold was estimated at 40 based on equation (8).
PET 및 그래핀 나노소판의 초음파 보조 배합은 도 53에서 증명된 바와 같이, 동일한 중량 분율 (5%)에 대한 이축-스크류 배합에 비해 보다 더 선형 응답을 제시하였다. 저주파수에서, 더 낮은 초음파 진폭에 의한 나노복합체는 더 높은 저장 모듈러스를 나타내었다. 이는, 초음파 진폭의 증가가 나노소판 분산에 영향을 미친다는 것을 가리킨다. 더 높은 주파수에서의 모듈러스는 중합체 거동의 지표임에 따라, PET 대조군과 비교한 모듈러스의 감소는 중합체 구조의 변화를 암시한다. 초음파 처리된 PET와 PET 대조군을 비교하면, 도 54에 제시된 바와 같이, 더 높은 주파수에서의 PET의 전단 모듈러스는 더 낮은 (3.5 μm 및 5 μm) 초음파 진폭에 있어서 증가함을 알 수 있다. 부가적으로, 더 낮은 주파수에서의 모듈러스는 무 (0 μm) 및 7.5 μm 초음파 진폭 조건의 샘플에 있어서 증가하였다. 도 53 및 54에 제시된 데이터에 기반하여, 5 μm의 초음파 진폭은 PET에 대해 덜 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며, 이는 또한 그래핀 나노소판의 분산의 개선을 가리킨다.Ultrasonic assisted blending of PET and graphene nano platelets showed a more linear response compared to biaxial-screw blending for the same weight fraction (5%), as demonstrated in FIG. At low frequencies, nanocomposites with lower ultrasonic amplitude exhibited higher storage modulus. This indicates that the increase in ultrasonic amplitude affects the nanoparticle dispersion. As the modulus at higher frequencies is an indicator of polymer behavior, a reduction in modulus as compared to the PET control suggests a change in the polymer structure. Comparing the ultrasonic treated PET to the PET control, it can be seen that the shear modulus of the PET at higher frequencies increases at lower (3.5 and 5 μm) ultrasonic amplitudes, as shown in FIG. Additionally, the modulus at lower frequencies increased in samples with no (0 μm) and 7.5 μm ultrasonic amplitude conditions. Based on the data presented in Figures 53 and 54, ultrasonic amplitude of 5 [mu] m has been found to have less effect on PET, which also indicates an improvement in the dispersion of graphene nanofiber.
5% 및 15% 중량 분율의 나노복합체 인장 막대에 대해 투과 현미경사진을 수집하였다. 도 56a 및 b에 제시된 바와 같이 소수 층 그래핀이 존재할지라도, 나노복합체의 투과 현미경사진으로부터, 그래핀 나노소판은 PET 매트릭스 내에서 완전히 박락되는 것은 아님을 알 수 있다. 도 55a 및 b에 제시된 현미경사진으로부터, 나노소판은 고농도의 영역으로 매트릭스 중에 분포되어 있음을 알 수 있다.Transmission micrographs were collected on nanocomposite tensile rods of 5% and 15% weight fractions. 56a and b, it can be seen from the transmission micrographs of the nanocomposite that the graphene nanosophene is not completely peeled off in the PET matrix. From the micrographs shown in Figs. 55A and 55B, it can be seen that the nano-platelet is distributed in the matrix in a region of high concentration.
TEM 현미경사진으로부터 수득된 나노소판의 평균 치수 (두께 및 길이)는 마이크로기계 모델을 평가하기 위해 입력 파라미터로서 사용되었다. PET 매트릭스 내부의 그래핀 나노소판에 대한 입자간 거리는 이진화 TEM 이미지를 사용하여 결정하였다. 현미경사진을 이원 이미지로 전환시키면 도 57에 제시된 바와 같이, 중합체 매트릭스로부터 나노소판 (더 진한 영역)을 분리하는 것이 가능하였다. 5% 및 15% 나노복합체에 대한 입자간 거리는 도 58에 제시된 바와 같이 각각 2800 nm 및 520 nm로서 결정되었다. 이와 같은 입자간 거리의 변화는 그래핀 나노소판의 농도의 증가로 인한 것일 수 있으며, 이는 분산에 영향을 미칠 수 있다. 공지된 종횡비 40 (유변학적 측정으로부터 수득됨)의 그래핀 나노소판에 대한 이론적 입자간 거리는 도 58에 제시된 바와 같이, TEM에 기반하여 계산된 값들에 대해 플롯팅하였다.The average dimensions (thickness and length) of nanosplanets obtained from TEM micrographs were used as input parameters to evaluate the micromechanical model. Intergranular distances for graphene nano platelets within the PET matrix were determined using binarized TEM images. By converting the micrograph to a binary image, it was possible to separate the nano-platelets (darker regions) from the polymer matrix, as shown in Fig. The intergranular distances for the 5% and 15% nanocomposites were determined as 2800 nm and 520 nm, respectively, as shown in FIG. Such a change in inter-particle distance may be due to an increase in the concentration of graphene nanofibers, which may affect dispersion. The theoretical inter-particle distance for a graphene nanosplan of the known aspect ratio of 40 (obtained from a rheological measurement) was plotted against the calculated values based on the TEM, as shown in FIG.
그래핀 나노소판, PET, 및 PET-GNP 나노복합체 인장 막대로부터 획득한 회절 패턴은 도 59에 제시되어 있다. 26.6° 2θ에서 그래핀 피크에 대해 관찰된 피크 확폭은 상이한 d-간격을 갖는 소판의 존재를 가리킨다. 26.6° 2θ에서의 그래핀 피크의 강도는 나노소판의 중량 분율과 함께 증가하였다. 그러나, 박락된 나노복합체의 경우에서와 같이 피크 이동은 관찰되지 않았다. PET 및 나노복합체 인장 막대는 19.2°2θ 주위에서 폭넓은 비결정질 할로를 나타낸다.The diffraction pattern obtained from the graphene nano platelet, PET, and PET-GNP nanocomposite tensile rods is shown in FIG. The peak wideness observed for graphene peaks at 26.6 [deg.] 2 [theta] indicates the presence of platelets with different d-spacings. The intensity of the graphene peak at 26.6
회절 주사로부터, PET 인장 막대가 비결정질임을 알 수 있다. 그러나, 밀도 측정 및 시각적 관찰은 이와 반대되었다. 따라서, 회절 주사를 PET 인장 막대의 단면에 걸쳐 수집하여, 비결정질 외부 층을 갖는 결정질 코어의 존재를 확인하였다. 오일 냉각형 사출 성형 공정 동안 더 느린 냉각 속도는 유의하게 상이한 표피 및 코어 마이크로구조의 형성을 유발한다. 두께에 따른 회절 라인 주사로부터의 데이터는 도 60a-60b에 나타나 있다. 나노복합체의 마이크로구조를 더 잘 이해하기 위해, 도 61에 나타낸 유사한 라인 주사를 15% 인장 막대의 두께를 따라 수행하였다. 그래핀 피크의 강도는, 중앙에서의 더 높은 강도와 함께, 샘플의 두께를 따라 변화하는 것으로 관찰되었다. 추가로, PET의 결정화는 또한, 도 61에서 화살표 표지된 "PET"로 표기된 바와 같이 샘플의 코어 쪽에서 관찰되었다.From the diffraction scan, it can be seen that the PET tensile bar is amorphous. However, density measurements and visual observations were the opposite. Thus, diffraction scans were collected across the cross-section of the PET tensile rod to confirm the presence of a crystalline core having an amorphous outer layer. The slower cooling rates during the oil-cooled injection molding process lead to the formation of significantly different epidermis and core microstructures. Data from diffractive line scanning according to thickness are shown in Figures 60A-60B. To better understand the microstructure of the nanocomposite, a similar line scan as shown in Figure 61 was performed along the thickness of the 15% tensile bar. The intensity of the graphene peak was observed to vary along the thickness of the sample, with a higher intensity at the center. In addition, the crystallization of the PET was also observed at the core side of the sample as indicated by the arrow labeled "PET"
나노복합체 인장 튜브에 대한 회절 분석으로부터, 완전 비결정질 마이크로구조 및 GNP의 첨가는 PET의 결정화를 증가시키지 않음을 알 수 있다. 2D 회절 프레임으로부터, GNP는 사출 흐름 응력으로 인해 표면에서 배향됨을 알 수 있다.From the diffraction analysis on the nanocomposite tensile tube, it can be seen that the addition of the fully amorphous microstructure and GNP does not increase the crystallization of the PET. From the 2D diffraction frame, it can be seen that GNP is oriented at the surface due to injection flow stress.
15% 나노복합체 인장 막대로부터 수집된 샘플에 대해 재구축된 단층촬영사진을 사용하여, PET 매트릭스 내부의 나노소판의 분포를 도 62a-62b에 제시된 바와 같이 가시화하였다. 재구축된 부피로부터의 관찰에 기반하여, 나노소판은 표면으로부터 깊이 약 200 μm 흐름 방향을 따라 (Y-축 방향을 따라) 배향되는 것으로 밝혀졌다. 이 데이터로부터 랜덤 배향 및 곡면형 소판을 갖는 나노소판이 또한 관찰되었다.Using reconstructed tomography photographs of the samples collected from the 15% nanocomposite tensile rods, the distribution of nano-platelet inside the PET matrix was visualized as shown in Figures 62a-62b. Based on the observation from the reconstructed volume, it was found that the nanosplatons were oriented along the flow direction (along the Y-axis direction) about 200 μm deep from the surface. From this data, nano-plates with random orientation and curved platelets were also observed.
나노복합체 인장 튜브로부터 수집된 샘플 (쐐기형)의 3D X선 현미경검사는 나노소판 배향 정도는 인장 막대에서보다 더 작은 것으로 제시한 바 있다. 도 63a-63b은 인장 튜브의 내부 표면 상의 나노소판의 3D 분포를 제시한다. 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노소판은 두께가 단지 15.6 μm까지 표면에 대해 평행하게 흐름 방향으로 배향된다. 표면 외부에 있어서, 흐름에 의한 정렬은 7.5 μm 두께로 제한되었다.3D X-ray microscopy of samples (wedge shaped) collected from nanocomposite tensile tubes suggested that the degree of nanoplatelet orientation is smaller than in tensile bars. 63A-63B show the 3D distribution of nano-platelets on the inner surface of a tensile tube. As can be seen from the photograph, the nanosplane is oriented in the direction of flow parallel to the surface to a thickness of only 15.6 占 퐉. Outside the surface, the alignment by flow was limited to a thickness of 7.5 μm.
그래핀 나노소판의 분산을 분석하기 위해 PET 및 PET 나노복합체에 대한 라만 스펙트럼을 수집하였다. 라만 스펙트럼으로부터, PET 매트릭스 내로 분산된 나노소판은 다층임을 알 수 있다. 서두에 기술된 바와 같이, 라만 분광법은 또한, PET와 그래핀 층 간의 π-π 상호작용의 존재를 결정하는데 사용될 수 있다. 도 64는 GNP 함량의 증가와 함께 PET 및 나노복합체에 대한 C-C 신장에 상응하는 라만 밴드 (~1617 cm-1)를 제시한다. 피크 핏으로부터 결정된 밴드 위치의 변화는 도 65에서 관찰할 수 있다. PET의 페닐 고리 내 C-C 신장에 상응하는 이와 같은 라만 밴드 (~1617 cm-1)의 이동은 그래핀과의 상호작용을 가리킨다. 추가로, PET 쇄 이동도에 대한 그래핀의 효과를 이해하기 위해, C=O 신장에 상응하는 라만 밴드 (~1730 cm-1)에 대한 반치전폭을 평가하였다. 비결정질 PET 내 쇄 이동도에 대한 지표인 것으로 인식되는, 1730 cm-1 라만 밴드 (C=O 신장)에 대한 피크 확폭은 여기서 관찰되지 않았다. 이는, 사출 성형으로부터 수득된 인장 막대 표면에서 고도로 배향된 구조에 기인한 것일 수 있다. 이들 나노복합체에 있어서 표면이 비결정질일지라도, 고도로 배향된 구조는 다중 쇄 회전을 가질 확률을 감소시켜 밴드 폭을 제한할 것이다. 그에 준해서, 도 66a는 본 개시내용에 따라 마이크로기계 모델 기반 예측에 대한 GNP 및 PET의 특성을 열거하는 표를 제시한다.To analyze the dispersion of graphene nanoparticles, Raman spectra for PET and PET nanocomposites were collected. From Raman spectra, it can be seen that the nanosplanets dispersed in the PET matrix are multi-layered. As described at the beginning, Raman spectroscopy can also be used to determine the presence of a pi-pi interaction between the PET and the graphene layer. Figure 64 shows a Raman band (~ 1617 cm -1 ) corresponding to CC stretching for PET and nanocomposites with increasing GNP content. The change in band position determined from the peak pitch can be observed in Fig. Movement of such a Raman band (~ 1617 cm -1 ) corresponding to CC stretching in the phenyl ring of PET indicates interaction with graphene. In addition, to understand the effect of graphene on the PET chain mobility, the full width at half maximum for the Raman band (~ 1730 cm -1 ) corresponding to C = O stretching was evaluated. The peak width for the 1730 cm -1 Raman band (C = O stretch), which is perceived to be an index for amorphous PET chain mobility, was not observed here. This may be due to a highly oriented structure at the tensile rod surface obtained from injection molding. Even if the surface is amorphous in these nanocomposites, the highly oriented structure will limit the band width by reducing the probability of having multibranched rotations. Accordingly, FIG. 66A presents a table listing properties of GNP and PET for micromechanical model based prediction in accordance with the present disclosure.
마이크로기계 모델링Micro-machine modeling
단층 그래핀은 그의 높은 강도 및 강성도에 대해 공지되어 있다. 그럼에도 불구하고, 여기서 단층 그래핀 내로만 그래핀 나노소판을 분산시키는 것은 구현되지 않았다. 혼합물 중 일부분은 단층일 가능성이 있지만, 대부분은 아니었다. 다층 그래핀에 대한 연구는 층 수가 10 미만인 경우에는, 특성이 단층일 때와 유사한 것으로 제시한 바 있다. 수개 층보다 많은 층을 갖는 나노소판의 경우, 그의 기계적 거동은 흑연 플레이크와 유사한 것으로 밝혀졌다. 그와 같은 이유로, 그래핀 나노소판의 모듈러스는 고도로 배향된 흑연과 유사한 0.795 TPa인 것으로 간주되었다.Single layer graphenes are known for their high strength and stiffness. Nevertheless, it has not been implemented here that only graphene nanosplanets are dispersed into single-layer graphenes. Part of the mixture may be a single layer, but most were not. Studies on multi-layer graphene have suggested that when the number of layers is less than 10, the characteristics are similar to those of the single layer. In the case of nano-platelets with more than a few layers, their mechanical behavior was found to be similar to graphite flakes. For that reason, the modulus of graphene nanofabrication was considered to be 0.795 TPa, which is similar to highly oriented graphite.
나노복합체 특성의 개선은 나노소판 분산도에 좌우된다. TEM 현미경사진으로부터의 측정에 기반하여, 상이한 길이 (소판의 직경) 및 두께를 갖는 그래핀 나노소판이 관찰되었다. 도 66은 최소 및 최대 값과 함께 소판의 평균 크기를 제시한다. 할핀-차이 및 후이-시아 마이크로기계 모델로부터 나노복합체의 예측 모듈러스를 도 66에 제시된 바와 같이 실험 결과에 대해 플롯팅하였다. 나노복합체 인장 막대로부터의 모듈러스와 비교하기 위해, PET 인장 막대로부터 수득된 반결정질 PET의 모듈러스를 모델 입력 특성으로서 사용하였다. 평균 소판 특성 및 그의 표준 편차를 사용하여, 나노복합체에 대한 모듈러스 한도를 계산하였다. 예측 모듈러스에 대한 상한 및 하한은 오차 막대에 의해 도 66에 나타나 있다. 모듈러스 데이터와 실험 데이터의 비교는 후이-시아 모델 예측이 실험 값에 가까운 것을 제시한다.The improvement in nanocomposite properties depends on the nanosplane dispersion. Based on the measurements from TEM micrographs, graphene nano plastic plates having different lengths (diameter of platelets) and thickness were observed. Figure 66 shows the average size of the platelet with minimum and maximum values. The predictive modulus of the nanocomposite from the halftone-difference and Hui-sia micromechanical model was plotted against the experimental results as shown in Fig. To compare with the modulus from the nanocomposite tensile rods, the modulus of the semi-crystalline PET obtained from the PET tensile rods was used as model input characteristics. Using the average platelet properties and its standard deviation, the modulus limits for the nanocomposites were calculated. The upper and lower limits for the prediction modulus are shown in Figure 66 by the error bars. The comparison of the modulus data with the experimental data suggests that the posterior-shear model predictions are close to the experimental values.
나노소판의 길이를 따라 (즉, 방향 '1 또는 2'로) 부하된 나노소판에 대해 후이-시아 모델을 사용하여, 도 67에 제시된 바와 같이 소판 종횡비에 대한 나노복합체 모듈러스를 플롯팅할 수 있다. TEM 측정으로부터의 나노소판 종횡비 (평균 및 상한), 용융 레올로지, 및 이상적 분산 조건 (단층 그래핀)에 대한 모듈러스 데이터를 플롯팅하였다. 마이크로기계 모델에 기반하여, 예측 특성은 그의 특성보다 나노소판 종횡비에 대해 더 민감한 것으로 관찰되었다. 이상적 분산 조건에 있어서, 그래핀 단층 모듈러스 1.02 TPa가 사용되었다. 도 67에 제시된 모델 데이터에 있어서는, 사출 성형된 인장 튜브로부터 수득된 비결정질 PET의 모듈러스가 사용되었다.The nanocomposite modulus for the platelet aspect ratio can be plotted, as shown in Figure 67, using a Hui-Shia model for nanoplatons loaded along the length of the nanocomposite (i.e., in direction '1 or 2' . Modulus data for nanoplasmin aspect ratio (mean and upper limit) from TEM measurements, molten rheology, and ideal dispersion conditions (single layer graphene) were plotted. Based on the micromechanical model, the predictive properties were observed to be more sensitive to the nanoplaced aspect ratio than their properties. Under ideal dispersion conditions, graphene monolayer modulus 1.02 TPa was used. In the model data shown in Fig. 67, the modulus of amorphous PET obtained from the injection-molded tensile tube was used.
실험 모듈러스와 예측 모듈러스와의 비교는 더 낮은 GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체가 더 높은 종횡비를 가짐을 제시한다. 마스터-배치의 희석을 통해 제조된 나노복합체 (0.5%, 0.6% 및 1.2%)에 있어서 (도 16c에 언급된 바와 같음), 낮은 GNP 함량을 갖는 마스터-배치가 더 높은 종횡비를 유발하는 것으로 관찰되었다. 이는, 이축 스크류가 아닌 단일 스크류로 수행된 마스터-배치의 희석 시 나타나는 더 온화한 가공을 고려하여 설명될 수 있다.Comparison of experimental modulus with predictive modulus suggests that nanocomposites with lower GNP weight fractions have higher aspect ratios. It has been observed that master-batches with low GNP content induce higher aspect ratios in the nanocomposites (0.5%, 0.6% and 1.2%) produced through dilution of the master-batch (as mentioned in FIG. 16c) . This can be explained by considering the milder machining that occurs in the dilution of the master-batch performed with a single screw rather than a biaxial screw.
논의Argument
폴리에틸렌 테레프탈레이트 - 그래핀 나노소판 나노복합체를 사출 성형을 통해 제조하였다. 이축-스크류 배합 및 초음파-보조 이축-스크류 배합으로부터의 마스터-배치 펠릿을 그의 기계적 및 열적 특성에 대해 특징화하였다. 본 챕터에서, PET 특성에 대한 초음파의 효과, 그래핀과 PET 간의 상호작용의 유형, 특성 변화 뒤의 역학, 배합 및 사출 성형의 효과, 및 나노복합체 평가에서의 마이크로기계 모델의 적용성이 논의된다.Polyethylene terephthalate - graphene nano platelet nanocomposite was prepared by injection molding. Master-batch pellets from biaxial-screw blending and ultrasonic-assisted biaxial-screw blending were characterized for their mechanical and thermal properties. In this chapter, the effects of ultrasound on PET properties, the type of interaction between graphene and PET, the mechanics behind the change of properties, the effects of blending and injection molding, and the applicability of micromechanical models in nanocomposite evaluation are discussed .
PET에 대한 초음파 처리의 효과Effect of ultrasonic treatment on PET
본 연구에서는 PET 매트릭스 중에 그래핀 나노소판을 분산시키기 위해 초음파-보조 압출을 사용하였다. PET에 대한 초음파의 효과를 이해하는데 이용가능한 문헌이 없기 때문에, 초음파 처리된 PET를 또한 여기서 분석하였다. 초음파-보조 압출 동안, 중합체에 적용된 에너지 (초음파의 형태로)는 음향 공동화의 결과로서 국부적으로 용융 온도를 증가시킬 수 있다. 공동화는 나노소판의 박락을 지원할 뿐만 아니라, 잠재적으로 중합체를 변화시킬 수 있다. 초음파 처리된 PET에 대한 GPC 측정으로부터의 평균 분자량으로부터, 분자량이 초음파 진폭의 증가와 함께 감소함을 알 수 있다.In this study, ultrasound - assisted extrusion was used to disperse graphene nanotubes in PET matrix. Because there is no literature available to understand the effect of ultrasound on PET, sonicated PET is also analyzed here. During ultrasonic-assisted extrusion, the energy applied to the polymer (in the form of ultrasonic waves) can increase the local melt temperature as a result of acoustic cavitation. Cavitation not only supports the dissolution of nanoparticles, but can also potentially change the polymer. From the average molecular weight from the GPC measurements for the sonicated PET, it can be seen that the molecular weight decreases with increasing ultrasonic amplitude.
그럼에도 불구하고, 초음파 처리하지 않은 PET에 대한 분자량 또한 감소하였다. 데이터에 기반하여, 분자량의 감소는 주로 압출 공정 (15%)에서 유래되고 초음파 처리는 분자량에 대해 극미한 (5% 강하) 효과를 갖는 것으로 이해된다.Nonetheless, the molecular weight for un-sonified PET also decreased. Based on the data, it is understood that the decrease in molecular weight is mainly derived from the extrusion process (15%) and the ultrasonic treatment has a slight (5% drop) effect on the molecular weight.
초음파 처리된 PET의 기계적 시험은 영 모듈러스 및 인장 강도에서 유의한 차이를 제시하지 않았다. 그럼에도 불구하고, 초음파 처리된 시편은 극한 강도 (파단 강도)의 개선을 제시하였고, 도 36 및 68에 의해 알 수 있는 바와 같이 PET 대조군에 비해 더 높은 인성을 나타내었다.Mechanical testing of ultrasonicated PET did not reveal significant differences in Young's modulus and tensile strength. Nonetheless, the ultrasonically treated specimen suggested an improvement in ultimate strength (breaking strength) and showed a higher toughness than the PET control, as can be seen by Figures 36 and 68.
PET 분해는 가수분해, 열적 분해 및 산화의 3가지 상이한 공정을 수반한다. 압출 공정 동안, 중합체 분해는 하나 이상의 상기 언급된 공정을 통해 실시될 수 있고 쇄 분할을 유발할 수 있다. 일부 축합 반응이 또한 발생할 수 있고, 이는 쇄를 연장시킨다. 초음파 처리로부터의 PET의 인성의 증가는, 초음파가 사실상 PET 분자 쇄를 변경시킴을 가리킨다. 초음파 처리된 PET의 열 분석 (DSC 및 레올로지)은 PET의 분지화를 통한 얽힘을 암시한다. 중합체 쇄의 얽힘은 도 54에서 관찰되는 바와 같이 보다 낮은 주파수에서 전단 모듈러스 (G')의 증가를 유발한다. 이는 또한, 7.5 μm 진폭으로 처리된 PET에 대한 'Tg'의 증가를 설명한다. 더 낮은 분자량 (더 짧은 쇄 길이)를 갖는 중합체는 고분자량 등급과 비교할 때 더 낮은 유리 전이 온도를 나타낸다. 이어서 또 다시, 얽힘 (가교 또는 쇄 분지화)의 존재는 쇄 이동도를 제한하며, 따라서 유리 전이 온도를 증가시킨다. 7.5 mm 진폭에서의 분자량의 강하는 다른 진폭에 비해 덜 유의하기 때문에, 유리 전이 온도의 증가는 주로 PET 분자 쇄 내 얽힘의 존재로 인한 것일 수 있다.PET degradation involves three different processes: hydrolysis, thermal degradation and oxidation. During the extrusion process, polymer degradation may be effected through one or more of the processes described above and may cause chain segmentation. Some condensation reactions can also occur, which extends the chain. The increase in toughness of PET from ultrasound treatment indicates that ultrasound actually modifies the PET molecular chain. Thermal analysis (DSC and rheology) of ultrasound treated PET suggests entanglement through the branching of PET. The entanglement of the polymer chains causes an increase in shear modulus (G ') at lower frequencies as observed in FIG. It also accounts for the increase in 'T g ' for PET treated with 7.5 μm amplitude. Polymers with lower molecular weight (shorter chain length) exhibit lower glass transition temperatures as compared to higher molecular weight grades. Subsequently again, the presence of entanglement (cross-linking or chain branching) limits chain mobility and thus increases the glass transition temperature. The increase in the glass transition temperature may be mainly due to the presence of entanglement in the PET molecular chain, since the drop in molecular weight at 7.5 mm amplitude is less significant than other amplitudes.
낮은 수준의 분지화제 트리메틸 트리멜리테이트 (TMT)와 중합된 PET에 대해 파단 강도의 증가라는 유사한 관찰이 보고되었다. 낮은 수준 (> 0.4%)의 분지화제에서, GPC 측정으로부터 가교의 신호 없이도 파단 강도의 유의한 증가 (25%)가 존재한다.Similar observations have been reported with increasing levels of fracture strength for low level branching trimethyl trimellitate (TMT) and polymerized PET. At low levels (> 0.4%) of the branching agent, there is a significant increase (25%) in fracture strength from the GPC measurement without signaling of crosslinking.
PET와 그래핀의 습윤도 및 상호작용Wetness and interaction of PET and graphene
나노보강재의 선택에서, 중합체와의 상용성은 하나의 중요한 요인이다. 2종의 중합체는 그의 표면 에너지의 차이가 작을 때 상용성 (또는 균질 혼합물을 형성하는 혼화성)인 것으로 간주된다. 표면 에너지의 차이의 증가는 상 분리로 이어질 수 있다. 마찬가지로, 중합체와 그의 나노보강재 간의 유사한 표면 에너지는 분산을 지원한다. PET는 분자 쇄 내 C=O 결합의 존재로 인해 약간 극성이다. PET의 표면 에너지는 41.1 mJ/m2이다. 그래핀의 표면 에너지는 46.7 mJ/m2로 유사하다. PET보다 더 높고 소수성이지만 그래핀은 그래핀 옥시드 (62.1 mJ/m2) 및 흑연 (54.8 mJ/m2)보다 훨씬 더 가깝다. 이로써 그래핀은 PET에 대해 보다 상용성인 나노보강재로서 놓인다. 일반적으로, 그래핀은 임의의 중합체 매트릭스 내로 개별 시트로서 분산시키기가 어려운 것으로 간주된다. 그것은 표면 에너지를 최소화하기 위해 응집 경향을 제시한다. 따라서, 응집체를 붕괴하고 그를 중합체 매트릭스 내로 분포시키기 위해 상이한 혼합 기술을 통해 외부 에너지를 인가하는 것이 필요하다. 서두에 언급된 바와 같이, PET는 높은 용융 온도를 갖는 고점성 중합체이다. 그로 인해, 그래핀 나노소판의 분산을 위해 이축-스크류 및 초음파-보조 이축-스크류 혼합 기술을 선택한다.In selection of nano-reinforcing materials, compatibility with polymers is an important factor. The two polymers are considered to be compatible (or miscible to form a homogeneous mixture) when their difference in surface energy is small. Increasing the difference in surface energy can lead to phase separation. Likewise, a similar surface energy between the polymer and its nanosubstance supports dispersion. PET is slightly polar due to the presence of C = O bonds in the molecular chain. The surface energy of PET is 41.1 mJ / m 2 . The surface energy of graphene is similar to 46.7 mJ / m 2 . Although higher than PET and hydrophobic, graphene is much closer to graphene oxide (62.1 mJ / m 2 ) and graphite (54.8 mJ / m 2 ). As a result, graphene is placed as a more compatible nano-reinforcing material for PET. Generally, graphenes are considered difficult to disperse as individual sheets into any polymer matrix. It presents a tendency to aggregate to minimize surface energy. Thus, it is necessary to apply external energy through different mixing techniques in order to disintegrate the agglomerates and distribute them into the polymer matrix. As mentioned at the beginning, PET is a high viscosity polymer with a high melting temperature. As a result, biaxial-screw and ultrasonic-assisted biaxial-screw mixing techniques are selected for dispersion of graphene nanofibres.
상기 기재된 바와 같이, PET는 강한 알칼리 용매에 대해서를 제외하고는 화학적으로 불활성이다. 따라서, PET는 원시 그래핀과 반응하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 그래핀 (CNT와 유사함)은 그래핀과 벤젠의 π-π 적층으로 인해 방향족 화합물과 비-공유 상호작용을 갖는 것으로 공지되어 있다. 흑연 내부의 그래핀 시트는 유사한 방향족-방향족 (π-π) 상호작용을 갖지만, 그의 에너지는 그래핀 및 벤젠 시스템의 에너지 (~8.4×1014 eV/cm2)보다 더 낮은 것 (~8×1011 eV/cm2)으로 산정된다. 관련 기술분야의 통상의 기술자라면, π-π 상호작용의 크기는 그래핀-방향족 분자 시스템 내의 수소 원자 (즉, 더 강한 쌍극자)의 밀도의 증가와 함께 증가함을 인지할 것이다. 이는 그래핀-그래핀 상호작용과 비교한 그래핀-벤젠 상호작용에 대한 결합 에너지의 차이를 설명한다.As described above, PET is chemically inert except for strong alkaline solvents. Thus, PET does not react with native graphene. Nonetheless, graphene (similar to CNT) is known to have non-shared interactions with aromatic compounds due to the pi-pi stacking of graphene and benzene. Graphene sheet of graphite inside a similar aromatic-be lower than the aromatic (π-π) has the interaction, their energy is graphene and energy (~ 8.4 × 1014 eV / cm 2) of the benzene system (~ 8 × 1011 eV / cm < 2 >). As one of ordinary skill in the relevant art (s) will appreciate, the magnitude of the pi-pi interaction increases with increasing density of hydrogen atoms (i.e., stronger dipoles) in the graphene-aromatic molecular system. This explains the difference in binding energy for the graphene-benzene interaction compared to the graphene-graphene interaction.
PET는 거의 평면 분자 쇄 구조를 갖는 방향족 폴리에스테르이다. 이로써 그래핀 나노소판과의 π-π 상호작용에 대해 보다 바람직해진다. PET와 그래핀 나노소판 간의 π-π 상호작용의 존재는 페닐 고리 내 C-C 신장에 상응하는 라만 피크의 이동의 형태로 감지된다 (도 65). 또한, 이 작업에서 사용된 그래핀 나노소판은 에지 상에 저농도의 극성 관능기, 예컨대 히드록실, 카르복실 및 에테르를 갖는다 (도 7). 나노소판에 이용가능한 극성 기는 PET의 극성 기와 반응할 가능성이 크다. PET와 그래핀 간의 상기한 상호작용은 나노복합체의 특성에 영향을 미치는데 유리하다.PET is an aromatic polyester having an almost planar molecular chain structure. Thereby making it more preferable for the? -Π interaction with graphene nanofabrication. The presence of a pi-pi interactions between PET and graphene nanofibers is detected in the form of Raman peak shifts corresponding to C-C stretches in the phenyl ring (Figure 65). In addition, the graphene nano platelet used in this work has low polarity functional groups such as hydroxyl, carboxyl and ether on the edge (Fig. 7). Polar groups available for nanoplasma are likely to react with polar groups of PET. The above interaction between PET and graphene is advantageous in influencing the properties of the nanocomposite.
PET와 그래핀 간의 응력 전달Stress transfer between PET and graphene
PET-GNP 나노복합체는 도 31에서 증명된 바와 같이 영 모듈러스의 개선을 제시하였다. 이와 같은 나노복합체의 모듈러스의 증가는 PET로부터 GNP로의 효과적인 응력 전달 때문에 일어난다. 이러한 뻣뻣한 보강재의 경우, 중합체와 보강재 간의 하중 전달은 그 계면의 강도에 의해 좌우되며, 이는 열역학적 접착 작용 (Wa)에 대해 정비례한다. PET와 그래핀 간의 접착 에너지는 하기 방정식 (21)에 의해 84.6 mJ/m2인 것으로 결정되었다. 그래핀에 대한 총 표면 에너지는 46.7 mJ/m2이다. PET 표면 에너지의 극성 및 비-극성 구성요소는 2.7 mJ/m2 및 38.4 mJ/m2인 것으로 밝혀졌다.The PET-GNP nanocomposites have shown improvement in zero modulus as demonstrated in Fig. The increase in modulus of these nanocomposites is due to effective stress transfer from PET to GNP. In the case of such a stiff stiffener, the load transfer between the polymer and the stiffener depends on the strength of the interface, which is directly proportional to the thermodynamic adhesion (W a ). The adhesion energy between PET and graphene was determined to be 84.6 mJ / m 2 by the following equation (21). The total surface energy for graphene is 46.7 mJ / m 2 . The polar and non-polar components of the PET surface energy were found to be 2.7 mJ / m 2 and 38.4 mJ / m 2 .
여기서, 중합체 및 그래핀에 대한, γLW는 표면 에너지의 리프쉬츠-반데르 발스 (비-극성 또는 분산) 구성요소이고, γAB는 표면 에너지의 루이스 산-염기 (극성) 구성요소이며, γ = γLW + γAB이다.Where γ LW is the Leitz sheath-van der Waals (non-polar or dispersed) component of the surface energy, γ AB is the Lewis acid-base (polar) component of the surface energy, and γ =? LW +? AB .
관련 기술분야의 통상의 기술자라면, PET 기판과 접촉하는 원시 단층 그래핀 (공기와 접촉하는 그래핀의 다른 표면)에 대해 계면 전단 강도는 0.46 내지 0.69 MPa인 것으로 정량화되었음을 인지할 것이다. 이 값은 비-극성 기 상호작용을 갖는 원시 표면들 간의 접촉에 대한 것이기 때문에, 본 연구에서 나노복합체에 대한 계면 강도는 0.69 MPa보다 더 높을 가능성이 있다. 또한, 그래핀 나노소판은 점토에 비해 PET와의 계면 접착력이 더 작을지라도, 나노소판은 PET 중에 잘 분산되는 것으로 밝혀졌다.As one of ordinary skill in the relevant art will appreciate, the interface shear strength is quantified to be 0.46 to 0.69 MPa for the source monolayer graphene (another surface of graphene in contact with the air) in contact with the PET substrate. Since this value is for contact between primitive surfaces with non-polar group interactions, the interfacial strength for the nanocomposite in this study is likely to be higher than 0.69 MPa. In addition, it was found that nano-platelets are well dispersed in PET, although the graphene nano platelet has less interfacial adhesion to PET than clay.
GNP의 중량 분율의 증가는, 도 58에 제시된 TEM 현미경사진으로부터 정량화되는 바와 같이, 입자간 거리의 감소를 유발하였다. 15% 부하를 갖는 나노복합체 펠릿에 있어서, 입자간 거리는, 2% 그래핀 (더 높은 표면적 750 m2/g을 가짐)에 대해 보고된 입자간 거리 200 nm보다 더 큰 520 nm로서 결정되었다.The increase in the weight fraction of GNP caused a reduction in the interparticle distance, as quantified from the TEM micrograph shown in FIG. For nanocomposite pellets with a 15% load, the interparticle distance was determined to be 520 nm, which is greater than the
나노소판이 서로 더 가까워짐에 따라, 나노소판의 존재에 의해 영향을 받는 중합체 쇄의 수는 도 69에 제시된 바와 같이 증가할 것이다. 중합체에 영향을 미치는 나노소판의 부피의 증가는 중합체를 뻣뻣하게 할 것이다. 도 70에 의해 관찰될 수 있는 바와 같이, GNP 중량 분율의 증가와 함께, 나노복합체 모듈러스는 기하급수적으로 증가한다. 이와 같은 거동은 GNP의 하중 공유가 중량 분율의 증가와 함께 증가함을 명백하게 도시한다.As the nano platelet becomes closer to each other, the number of polymer chains affected by the presence of nanosplan will increase as shown in FIG. 69. Increasing the volume of nano-platelet affecting the polymer will stiffen the polymer. As can be observed by Figure 70, with increasing GNP weight fraction, the nanocomposite modulus increases exponentially. This behavior clearly shows that GNP load sharing increases with increasing weight fraction.
더 높은 중량 분율의 GNP에서, 응력-변형률 곡선은 도 71에 제시된 바와 같이 더 복잡한 항복 거동을 나타낸다. 소판-소판 상호작용은 낮은 분율에서는 없을 가능성이 크다. 소판 부피 분율이 중요할 뿐만 아니라, 그와 같은 부피 분율에서의 소판 표면적이 중요하다. 보다 높은 부피 분율에서 저표면적 소판은 더 낮은 분율의 고표면적 소판과 유사한 이득을 가질 것으로 예상된다. 그러나, 결국, 소판은 매트릭스에 걸쳐 상호작용을 시작하고 그와 같은 상호작용은 항복 거동에 영향을 미칠 것이다. 소판-소판 결합은 판-매트릭스 결합보다 훨씬 더 약하다. 이러한 경우, 본 발명자들은 10% 초과의 부피 분율 소판에서 상기와 같은 상호작용의 보다 현저한 증거를 알아내기 시작하였다.At a higher weight fraction GNP, the stress-strain curve shows a more complicated yield behavior as shown in FIG. Plagiarism - platelet interaction is likely to be absent in low fractions. Not only is the volume fraction of the platelet is important, but also the platelet surface area at such a volume fraction is important. At higher volume fractions, the low surface area platelet is expected to have a similar gain to the lower surface fraction of the high surface area platelet. However, eventually, the platelet starts interacting over the matrix and such interactions will affect the yield behavior. Plate-plate bonding is much weaker than plate-matrix bonding. In this case, the inventors have begun to find more prominent evidence of such interactions in volume fraction plates above 10%.
나노복합체 마이크로구조, 및 마이크로기계 모델의 적용Nanocomposite microstructure, and application of micromechanical model
후이-시아 식에 기반한 마이크로기계 모델은 할핀-차이에 비해 나노복합체 특성을 가깝게 예측하였다. 처음에 그것들은 비결정질 매트릭스 중의 보강재 상으로서 결정질 도메인을 고려함으로써 반결정질 중합체의 특성을 모델링하기 위해 개발되었다. 이들 마이크로기계 모델은 이후에 마이크로-복합체를 모델링하도록 개작되었다. 상기 언급된 모델에 대한 핵심 전제는, 부하 방향으로 배향된 보강재와 중합체 간의 균일한 계면, 및 보강재의 균일한 종횡비이다. 그럼에도 불구하고, 나노복합체 중에 분산된 나노소판은, 도 62 및 63b에 예시된 나노단층촬영으로부터 관찰되는 바와 같이, 부하 축을 따라 (즉, 사출 방향) 완전 배향되지는 않는다. 예를 들면, 나노복합체 인장 막대에서, 흐름 응력으로 인한 GNP 배향은 표면으로부터 200 μm 깊이까지만 목격되었고, 인장 튜브의 경우에는 훨씬 더 적었다 (표면으로부터 15 μm 깊이). 이는 나노복합체의 벌크 코어가 더 랜덤하게 배향된 나노소판을 가짐을 제시한다. 사출 성형 속도 및 냉각 속도의 증가는 제한된 나노소판 배향을 유발하였다.Based on the Hui-Si expression, the micromechanical model predicted nanocomposite characteristics more closely than halpin-difference. Initially they were developed to model the properties of semi-crystalline polymers by considering the crystalline domains as stiffener phases in the amorphous matrix. These micromechanical models were later adapted to model micro-composites. The key premise for the above-mentioned models is the uniform interface between the stiffener and polymer oriented in the direction of the load, and the uniform aspect ratio of the stiffener. Nevertheless, the nano platelets dispersed in the nanocomposite are not fully oriented along the load axis (i.e., the injection direction), as observed from the nanotomography illustrated in Figures 62 and 63b. For example, in a nanocomposite tensile rod, the GNP orientation due to flow stress was observed only to a depth of 200 μm from the surface and much less for a tensile tube (15 μm from the surface). This suggests that the bulk core of the nanocomposite has more randomly oriented nanosplanets. Increased injection molding speed and cooling rate resulted in limited nanopatterning orientation.
사출 성형 동안, 금형 채널을 통해 흐르는 중합체 용융물은 전단력을 겪는다. 이와 같은 전단 작용은 저온 금형 벽에 의해 유도된 온도 구배로 인한 것이다. 중합체 용융물은 고화 (두께로)되기 시작함에 따라, 전단력의 증가는 외부 표면 상의 고도로 배향된 층과 함께, 두께를 따라 층상 구조를 생성한다. 일부는 이 층이 0.1 mm의 두께일 것으로 추측되었다. 냉각 속도는 배향된 층의 두께를 결정한다. 나노단층촬영은 표피 층의 두께의 정량화를 가능케 하였고, 이는 그러한 종류의 첫 상기 층의 관찰이다. 인장 튜브로 관찰되는 바와 같이, 배향된 층 두께의 차이는 금형 설계 및 표면의 곡률로부터의 더 효과적인 냉각 속도에 기인한 것일 가능성이 크다. 인장 튜브 데이터와 인장 막대 데이터의 비교는 배향된 표면 층의 두께가 인장 막대에서 더 큼을 제시한다. 이는 인장 튜브에 비해 더 느린 냉각 및 사출 속도와 일치한다.During injection molding, the polymer melt flowing through the mold channel experiences a shear force. This shear action is due to the temperature gradient induced by the cold mold wall. As the polymer melt begins to solidify (thicken), an increase in shear force, along with a highly oriented layer on the outer surface, creates a layered structure along the thickness. Some were supposed to be 0.1 mm thick. The cooling rate determines the thickness of the oriented layer. Nano tomography enabled quantification of the thickness of the epidermal layer, which is the first observation of such a layer. As observed with the tensile tube, the difference in the oriented layer thickness is likely to be due to the more effective cooling rate from the mold design and curvature of the surface. A comparison of tensile tube data and tensile bar data suggests that the thickness of the oriented surface layer is greater at the tensile bar. This is consistent with slower cooling and injection rates compared to tensile tubes.
나노단층촬영으로부터의 관찰 중 하나는 소판의 종횡비가 나노복합체에 있어서 균일하지 않다는 것이었다. 유변학적 측정 및 투과 전자 현미경검사로부터의 나노소판의 종횡비는 40 및 18.75인 것으로 결정되었다. 이들을 종횡비에 대한 한도로서 취하면, 나노복합체의 모듈러스가 예측된다. 도 67에 제시된 바와 같이, 상이한 종횡비에 대해 예측 모듈러스 경향과 실험 데이터를 비교하면, 나노복합체는 사실상 상이한 평균 종횡비를 갖고, GNP 중량 분율의 증가와 함께 증가하는 것으로 강조된다.One of the observations from nano-tomography was that the aspect ratio of the platelets was not uniform in the nanocomposite. The aspect ratio of nanoplasma from rheological and transmission electron microscopy was determined to be 40 and 18.75. Taking these as limits for the aspect ratio, the modulus of the nanocomposite is predicted. As shown in Figure 67, when comparing the experimental data with the predicted modulus trend for different aspect ratios, it is emphasized that the nanocomposites have virtually different average aspect ratios and increase with increasing GNP weight fraction.
본 연구에서 사용된 그래핀 나노소판은 평균 직경 (길이)이 5 μm이다. 이해되는 바와 같이, 이 치수는 원시 그래핀에 대한 크기 30 μm보다 훨씬 더 작으며, 이는 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA)를 효과적으로 보강하는 것으로 추정되었다. 추가로, 감소된 강성도 (1000 GPa로부터 100 GPa로 모듈러스 강하)를 갖는 그래핀은 유리상 중합체 (예를 들어, PET)를 보강하는데 있어서 엘라스토머와 비교할 때 덜 효과적일 것으로 나타났음을 이해할 것이다. 서두에 언급된 바와 같이, 10개 초과의 층을 갖는 그래핀은 감소된 강성도를 가질 수 있다. 상기한 요인으로 인해, 특성을 예측하기 위한 마이크로기계 모델의 적용에 있어서 나노복합체의 마이크로구조에 대한 상세한 정보를 가져야 할 필요성이 강화된다.The graphene nano platelet used in this study has an average diameter (length) of 5 μm. As can be appreciated, this dimension is much smaller than the size of 30 μm for native graphene, which was estimated to effectively reinforce polymethylmethacrylate (PMMA). In addition, it will be appreciated that graphene with reduced stiffness (modulus drop from 1000 GPa to 100 GPa) has been shown to be less effective when reinforcing glassy polymers (e.g., PET) compared to elastomers. As mentioned at the beginning, graphene having more than ten layers can have reduced stiffness. Due to these factors, the need to have detailed information on the microstructure of nanocomposites in application of micromechanical models to predict properties is enhanced.
PET 특성 및 분자 쇄 이동도에 대한 그래핀 나노소판의 효과Effect of graphene nanosophene on PET properties and molecular chain mobility
오일 냉각형 성형으로부터의 나노복합체 인장 막대는 약 20% 결정화도를 나타내었다. 보다 빠른 냉각 속도를 갖는 고속 사출 성형 시스템을 사용하여, 사출 성형 동안 PET의 결정화에 대한 더 우수한 제어와 함께 나노복합체 인장 튜브를 제조하였다. 이 공정을 통해, 2% 내지 0.5%의 GNP 중량 분율을 갖는 나노복합체를 제조하고 시험하였다. 양쪽 공정 (수 냉각형 및 오일 냉각형 사출 성형)으로부터의 도 31 및 33에 제시된 2% GNP를 갖는 나노복합체의 모듈러스의 비교는 공정의 변화와 함께 모듈러스의 개선을 제시한다. 2% GNP를 갖는 인장 튜브에 있어서, 모듈러스는 2.5 GPa (PET의 비결정질 모듈러스)로부터 3.1 GPa (인장 막대보다 7% 더 높음)로 증가하였다. 또 다른 중요한 관찰은, 2% 나노복합체 중의 공극의 존재는 그의 모듈러스에 대해 거의 영향을 미치지 않는다는 것이었다. 반면에, 공극의 존재 (가공으로부터)는 강도의 감소 및 조기 파손을 유발하였다. 도 40 및 41에 제시된 나노복합체 파열 표면의 SEM 현미경사진으로부터 관찰되는 바와 같이, 공극은 응력 집중 지점으로서 작용하였고, 파손으로 이어졌다. 낮은 GNP 중량 분율의 나노복합체 인장 튜브의 강도는 도 33에 제시된 바와 같이 극미한 증가를 나타내었다.The nanocomposite tensile bars from oil-cooled moldings exhibited about 20% crystallinity. Using a high speed injection molding system with a faster cooling rate, nanocomposite tensile tubes were produced with better control over the crystallization of PET during injection molding. Through this process, nanocomposites with a GNP weight fraction of 2% to 0.5% were prepared and tested. Comparison of the modulus of the nanocomposites with 2% GNP as shown in Figures 31 and 33 from both processes (water cooled and oil cooled injection molding) suggests an improvement in modulus with process variation. For tensile tubes with 2% GNP, the modulus increased from 2.5 GPa (amorphous modulus of PET) to 3.1 GPa (7% higher than tensile bars). Another important observation was that the presence of voids in the 2% nanocomposite had little effect on its modulus. On the other hand, the presence of pores (from processing) resulted in reduced strength and premature failure. As can be seen from the SEM micrographs of the nanocomposite rupture surfaces shown in Figs. 40 and 41, the pores acted as stress concentration points, leading to breakage. The strength of the nanocomposite tensile tube with low GNP weight fraction showed a slight increase as shown in FIG.
일반적으로, PET에의 GNP의 첨가는 강도에 영향을 미치지 않았다. 이는 중량 분율이 낮고 매트릭스가 항복에 전형적인 흐름 거동을 지배할 것이기 때문인 것으로 예상된다. 또한, PET와 GNP 간의 화학적 연결 (결합)의 결여가 항복 및 인성에 대한 GNP 영향을 감소시킨다고 생각하는 것이 도움이 된다. 서두 부분에서 논의된 바와 같이, PET와 GNP 간의 계면 상호작용은 초기 응력 전달을 위해 바람직하다. 변형률의 증가와 함께, PET와 GNP 간에 계면 슬라이딩이 시작되고, 이는 GNP가 파손 하중을 공유하지 못하게 한다. 재료의 강도는 가장 약한 원소에 좌우되기 때문에, 나노복합체 강도는 PET와 유사하게 유지된다.In general, the addition of GNP to PET did not affect the strength. This is expected to be because the weight fraction is low and the matrix will dominate typical flow behavior for yield. It is also helpful to think that the lack of chemical bonding between PET and GNP reduces GNP impact on yield and toughness. As discussed in the introduction, interfacial interaction between PET and GNP is desirable for initial stress transfer. With increasing strain, interfacial sliding begins between PET and GNP, which prevents GNP from sharing fracture loads. Since the strength of the material depends on the weakest element, the nanocomposite strength remains similar to PET.
레올로지 및 열 분석 데이터로부터, 더 높은 중량 분율의 그래핀 나노소판의 존재는 PET 분자 쇄의 이동도에 영향을 미칠 것으로 추론된다. 더 높은 GNP 중량 분율은 도 69에 나타낸 바와 같이 연속 망상구조의 전개를 유발할 것이고, 이는 PET의 변형 거동을 변화시킬 것이다. 기계적 시험으로부터 관찰되는 바와 같이, 2% GNP 중량 분율까지는 나노복합체가 증가된 파손 변형률과 함께 PET보다 더 강성이다. PET 파손은 표면 균열의 두께 전파를 통한 결과로서 일어나기 때문에, PET 매트릭스 중의 그래핀 나노소판의 존재는 크랙 편향을 통해 그에 반하여 작용할 수 있다. 도 42 내 SEM 현미경사진으로부터 관찰되는 바와 같이, 파열 표면에서부터 연장되어 있는 나노소판은 상기 관찰을 뒷받침한다. 반면에, 2% 초과의 GNP 중량 분율의 나노복합체는 취성 파손을 나타내었다. 이와 같은 전이가 관찰된 그래핀 나노소판 중량 분율은 레올로지 측정으로부터의 퍼콜레이션 한도와 일치한다.From the rheology and thermal analysis data, it is deduced that the presence of a higher weight fraction of graphene nanosophene will affect the mobility of the PET molecular chain. The higher GNP weight fraction will cause the development of the continuous network as shown in Figure 69, which will change the deformation behavior of the PET. As observed from the mechanical tests, up to the 2% GNP weight fraction, the nanocomposites are stiffer than PET with increased breakage strain. Since PET breakdown occurs as a result of thickness propagation of the surface cracks, the presence of graphene nanofibers in the PET matrix can counteract it through crack deflection. As can be seen from the SEM micrographs in FIG. 42, nanosplane extending from the tear surface supports this observation. On the other hand, nanocomposites with a GNP weight fraction of greater than 2% exhibited brittle fracture. The graphene nanofibrate weight fraction observed for such a transition is consistent with the percolation limit from rheological measurements.
라만 분광법을 사용하여, 그래핀 농도의 증가가 PET 쇄의 이동도를 제한하는 것으로 제시된 바 있다. 도 5에 제시된 라만 스펙트럼에는 피크 폭의 변화가 제시하지 않았는데, 이는 사출 성형으로부터의 나노복합체가 고도로 배향된 비결정질 표면 층을 나타내기 때문이다. 배향된 PET 쇄는 가능한 쇄 구조의 수를 한정하여, 피크 확폭을 야기하는 C=O 이성질체의 회전을 제한할 것이다.Using Raman spectroscopy, it has been shown that increasing the graphene concentration limits the mobility of the PET chain. The Raman spectrum shown in Figure 5 does not show a change in peak width because the nanocomposite from injection molding represents a highly oriented amorphous surface layer. The oriented PET chain will limit the number of possible chain structures and limit the rotation of the C = O isomer causing peak widening.
나노복합체의 열 분석은 GNP의 첨가가 PET 결정화에 영향을 미치는 것으로 제시하였다. 그래핀 나노소판은 핵생성 자리로서 작용할 수 있고, 결정화 온도의 증가와 함께 결정화를 촉진시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 나노소판 분율의 증가와 함께 감소된 PET 쇄 이동도 (구속 효과)는 핵생성 효과를 상쇄한다. 이들 반대 효과의 조합은 결정화 반감기의 증가를 유발하고, 도 45에 제시된 바와 같이 결정화도의 양을 감소시켰다. 입자간 거리는 GNP 중량 분율의 증가와 함께 더 작아지기 때문에, 쇄 이동도는 더 제한된다. 이는 더 높은 GNP 중량 분율 (2% 초과)에 대해 서두에 논의된 바와 같이, PET 나노복합체의 파손 유형의 변화를 밝힌다. 2% 미만의 중량 분율에서 고종횡비 그래핀 및 PET로 유사한 관찰이 보고되었고, 여기서 결정화 반감기가 2% 미만의 그래핀 부하까지 감소하고 2%에서 증가하기 시작하는 것으로 밝혀졌다.Thermal analysis of the nanocomposites suggested that the addition of GNP affects PET crystallization. Graphene nanofabrication can act as a nucleation site and can accelerate crystallization with increasing crystallization temperature. Nevertheless, the reduced PET chain mobility (constraint effect) with the increase of the nanofabric fraction counteracts the nucleation effect. The combination of these opposite effects led to an increase in the crystallization half-life and reduced the amount of crystallinity as shown in Fig. Since intergranular distance becomes smaller with increasing GNP weight fraction, chain mobility is more limited. This reveals a change in the breakage type of the PET nanocomposite, as discussed at the beginning for the higher GNP weight fraction (greater than 2%). Similar observations have been reported with high aspect ratio graphene and PET at less than 2% weight fraction, where the crystallization half-life is found to decrease to less than 2% graphene loading and begin to increase at 2%.
PET-그래핀 나노복합체에 대한 초음파 처리의 효과Effect of ultrasonic treatment on PET-graphene nanocomposite
도 38에 나타낸, 이축-스크류 및 초음파-보조 배합으로부터 제조된 나노복합체의 특성의 비교는 최상의 혼합 접근법을 규명하는데 도움이 된다. 5 μm 및 7.5 μm의 초음파 진폭은 모듈러스의 면에서 최대 개선을 제시한 것으로 관찰되었다. 그러나, 이와 같은 모듈러스의 개선은 이축-스크류 배합된 재료로부터의 나노복합체와 비교할 때 유의하게 상이하지 않다. 이로부터, 초음파 처리는 그래핀 나노소판의 분산을 개선시키는데 있어서 이점을 제공하지 않았음을 알 수 있다. 양쪽 공정으로부터의 5% 그래핀 나노복합체 펠릿에 대한 분자량 데이터는 도 26에 제시된 바와 같이 PET 평균 분자량에서 유사한 강하를 나타낸다. 부가적으로, 그래핀의 존재는 압출 공정으로부터의 분자량의 강하를 증가시키는 것으로 관찰되었다. 이는 그래핀 나노소판의 높은 열 전도도에 기인한 것일 수 있으며, 그에 의해 PET의 보다 빠른 가열이 가능하고 정규 가열 조건 하에 쇄 손상이 야기된다.Comparison of the properties of the nanocomposites produced from the biaxial-screw and ultrasonic-assisted blend shown in FIG. 38 helps to identify the best mixing approach. Ultrasonic amplitudes of 5 μm and 7.5 μm showed maximum improvement in modulus. However, such improvements in modulus are not significantly different as compared to nanocomposites from biaxially-screw compounded materials. From this, it can be seen that the ultrasonic treatment did not provide an advantage in improving the dispersion of the graphene nanofabrication plate. The molecular weight data for 5% graphene nanocomposite pellets from both processes show a similar drop in the PET average molecular weight as shown in FIG. Additionally, the presence of graphene was observed to increase the drop in molecular weight from the extrusion process. This may be due to the high thermal conductivity of graphene nanoclay, which allows faster heating of the PET and causes chain damage under normal heating conditions.
초음파 처리된 나노복합체의 레올로지는, 도 53 및 54에 예시된, 초음파 처리된 PET에서 관찰되는 바와 유사한 거동을 제시하였다. 고주파수에서의 전단 모듈러스의 감소는 중합체 쇄 (분자량)의 손상으로 인한 것이고, 저주파수에서의 전단 모듈러스의 증가는 분산된 그래핀의 존재뿐만 아니라 초음파 처리로부터의 얽힘의 증가에서 기인할 수 있다. 더 높은 초음파 진폭은 더 낮은 전단 모듈러스를 제시하며; 이로부터, 더 높은 진폭에서 더 우수한 분산이 존재하고, 이는 또한 기계적 특성으로부터 명백함을 알 수 있다. 그러나, 7.5 μm 초음파 진폭에 있어서, 분자량의 강하는 다른 진폭에 비해 더 높다. 그래핀의 초음파-보조 분산은 정규 이축-스크류 사출과 비교할 때 (동일한 그래핀 중량 분율에 대해) 나노복합체의 열적 특성의 차이를 제시한 바 있다. 도 47 및 49에 제시된 유리 전이 온도, 결정화 반감기, 및 퍼센트 결정화도의 평가는 다른 진폭에 비해 7.5 μm 초음파 진폭에서 더 우수한 그래핀 분산을 시사한다. PET의 결정화 반감기는 분자량의 감소와 함께 감소하지만, 분산된 그래핀은 7.5 μm 진폭에서의 반감기의 증가의 원인일 수 있다. 도 53 및 54에 제시된 용융 레올로지 데이터와 함께 상기와 같은 관찰은, 7.5 μm의 초음파 진폭은 GNP의 분산을 개선시킬 가능성이 크다는 것을 시사한다. 그러나, 열 분석으로부터 관찰된 상기와 같은 분산의 개선은 기계적 데이터에 반영되지 않았다.The rheology of the sonicated nanocomposites suggested similar behavior to that observed in the sonicated PET as illustrated in Figures 53 and 54. The reduction of shear modulus at high frequencies is due to damage of the polymer chains (molecular weight), and the increase in shear modulus at low frequencies can be attributed to the presence of dispersed graphene as well as the increase in entanglement from ultrasonic treatment. Higher ultrasonic amplitudes suggest lower shear modulus; From this it can be seen that there is a better dispersion at higher amplitudes, which is also evident from the mechanical properties. However, for a 7.5 μm ultrasonic amplitude, the drop in molecular weight is higher than for other amplitudes. Ultrasound-assisted dispersion of graphene showed differences in thermal properties of the nanocomposite (for the same graphene weight fraction) as compared to regular biaxial-screw injection. The evaluation of the glass transition temperature, the crystallization half-life, and the percent crystallinity shown in Figures 47 and 49 suggests better graphene dispersion at 7.5 microns of ultrasonic amplitude compared to other amplitudes. The crystallization half-life of PET decreases with decreasing molecular weight, but dispersed graphene may be responsible for the increase in half-life at 7.5 μm amplitude. Such observations, along with the melt rheology data presented in Figures 53 and 54, suggest that a 7.5 um sonic amplitude is likely to improve the dispersion of GNP. However, the improvement in dispersion as observed from the thermal analysis was not reflected in the mechanical data.
마이크로 사출 성형 시스템 상에서 초음파 처리된 나노복합체의 인장 막대를 제조하면서, 기계적 특성에 대한 혼합 시간의 효과를 조사하였다. 나노복합체 샘플은 각각 1 min, 2 min 및 3 min의 공정 시간 동안 사출 성형되었다. 도 72에 제시된 모듈러스 데이터로부터, 더 긴 혼합 시간은 나노복합체 모듈러스의 감소를 유발함을 알 수 있다. 이는 더 긴 체류 시간에 의한 중합체의 손상으로 인한 것일 수 있다.The effects of mixing time on mechanical properties were investigated while fabricating tensile rods of ultrasonic treated nanocomposites on a microinjection molding system. The nanocomposite samples were injection molded for 1 min, 2 min and 3 min, respectively. From the modulus data presented in Figure 72, it can be seen that the longer mixing time leads to a decrease in the nanocomposite modulus. This may be due to the damage of the polymer due to the longer residence time.
PET 나노복합체 특성에 대한 그래핀 표면적의 효과Effect of Graphene Surface Area on the Properties of PET Nanocomposites
계내 중합된 PET 나노복합체는, 그래핀 나노소판의 표면적이 PET의 결정화 거동의 차이의 근거일 수 있음을 시사한다. 나노복합체의 기계적 특성으로 돌아와, 그의 차이는 결론지을 만큼 유의하지 않다. 초음파 처리를 통해 분산된 나노소판은 상이한 치수의 소판을 함유하여, 폭넓은 분포의 나노소판 종횡비를 유발함으로써 유효 평균 표면적을 변화시킬 것이다. 원심분리를 통한 크기 선택적 접근법의 적용은 나노소판 표면적의 효과를 이해하는데 도움이 될 수 있다.In situ polymerized PET nanocomposites suggest that the surface area of graphene nanofibers can be the basis for the difference in the crystallization behavior of PET. Returning to the mechanical properties of the nanocomposite, the difference is not significant enough to conclude. The dispersed nano platelets through ultrasonic treatment will contain different sizes of platelets, which will result in varying the effective average surface area by inducing a wide distribution of nanoplanet aspect ratio. The application of a size-selective approach through centrifugation can help to understand the effect of nanoparticle surface area.
본원에 언급된 바와 같이, 계내 중합에 대한 하나의 단점은 상이한 배치들 간에 유사한 분자량 중합체가 달성된다는 것이다. 이로부터, 중합 공정은 나노복합체를 제조하기에 충분하지 않을 뿐만 아니라; 고체 상태 중합과 같은 2차 기술의 적용이 분자량의 격차를 다루는데 도움이 될 수 있음을 알 수 있다.As mentioned herein, one drawback to in situ polymerization is that similar molecular weight polymers are achieved between different batches. From this, not only is the polymerization process not sufficient to produce nanocomposites; It can be seen that the application of secondary techniques such as solid state polymerization can be helpful in addressing the molecular weight gaps.
보강재로서의 그래핀의 유효성Effectiveness of Graphene as a Stiffener
PET의 기계적 거동은 구정상 및 신장 결정화의 결정화도 유형에 의존적이다. PET 결정의 모듈러스는 공유 결합의 변형에 기반하여 146 GPa인 것으로 계산되었다. PET의 특성을 개선시키는데 있어서 한 접근법은 가공 방법으로부터 그의 결정화도를 증가시키는 것이다. 이축 신장을 통해 수득된 PET 필름 샘플은 45% 결정화도에서 5.4 GPa를 제시한다. 그를 나노복합체와 비교하면, 단지 10% GNP 중량 분율에 대한 모듈러스가 5.3 GPa이었다. PET 결정보다 5.5배 더 뻣뻣한 보강재로, GNP 첨가에 의한 개선이 자체-보강된 (신장 결정화된) PET에 필적한다. 동일한 이축 신장된 샘플에 있어서, 최대 분자 배향을 따라 시험할 때, 방향은 약 9.1 GPa 모듈러스를 제시하였다. 이로부터, 나노복합체의 가공 동안 그래핀 나노소판에 대해 배향을 유도하면 특성이 추가로 개선될 수 있음을 알 수 있다.The mechanical behavior of PET depends on the type of crystallization of spherical and elongational crystallization. The modulus of the PET crystal was calculated to be 146 GPa based on the modification of the covalent bond. One approach to improving the properties of PET is to increase its crystallinity from the processing method. The PET film sample obtained through biaxial elongation presents 5.4 GPa at 45% crystallinity. Comparing him to the nanocomposite, the modulus for the 10% GNP weight fraction was 5.3 GPa. Improvement by GNP addition is comparable to self-reinforced (stretch-crystallized) PET, with stiffeners 5.5 times stiffer than PET crystals. For the same biaxially elongated sample, when tested along the maximal molecular orientation, the orientation showed a modulus of about 9.1 GPa. From this, it can be seen that the orientation can be further improved for graphene nanofibers during processing of the nanocomposite.
결론conclusion
폴리(에틸렌 테레프탈레이트) - 그래핀 나노소판 (PET-GNP) 나노복합체는 사출 성형에 의해 예증되었다. 본원에 기재된 바와 같이, PET-GNP 나노복합체는 분산, 기계적 및 열적 특성에 대해 평가되었다. 그에 준해서, PET-GNP 나노복합체는 PET의 강도에 영향을 미치지 않으면서 8% (0.5% GNP 중량 분율의 경우) 내지 224% (15% GNP 중량 분율의 경우) 범위의 영 모듈러스의 기하급수적 개선을 제시한다. 그래핀 나노소판을 2% 초과의 중량 분율로 첨가하면 PET의 파손 변형률에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 이용된 특정 성형 시스템은 나노복합체의 최종 특성에 영향을 미치는데 있어서 유의한 역할을 한다. 특히, 고속 사출 성형에 의해 제조된 나노복합체는 비교적 개선된 모듈러스를 제공한다.Poly (ethylene terephthalate) -graffin nano-platelet (PET-GNP) nanocomposites were exemplified by injection molding. As described herein, PET-GNP nanocomposites were evaluated for dispersion, mechanical and thermal properties. As a result, the PET-GNP nanocomposite exhibits an exponential improvement in Young's modulus in the range of 8% (for the 0.5% GNP weight fraction) to 224% (for the 15% GNP weight fraction) without affecting the PET strength . The addition of graphene nanofibers in a weight fraction of more than 2% was found to affect the fracture strain of PET. In addition, the particular molding system used plays a significant role in influencing the final properties of the nanocomposite. In particular, nanocomposites produced by high-speed injection molding provide a relatively improved modulus.
본원에 기재된 바와 같이, 마스터-배치 방법은 PET 내에 나노소판을 효과적으로 분산시키며, 여기서 더 낮은 GNP 함량은 더 높은 GNP 함량 마스터-배치보다 더 우수한 분산을 제공한다. PET의 초음파 처리는 일반적으로, 분자량에 대해 극미한 효과를 제공하고 영 모듈러스에 대해 영향을 미치지 않으면서 그의 인성을 증가시킨다. 이축-스크류 배합 및 초음파-보조 이축-스크류 배합은 영 모듈러스의 유사한 개선을 유발한다. 또한, 이축-스크류 배합에 의해 수득된 PET-GNP 나노복합체는 농도의 증가와 함께 감소하는 GNP 입자간 거리를 나타낸다. 특히, 15% 나노복합체는 실질적으로 520 nm의 평균 GNP 입자간 거리를 나타낸다.As described herein, the master-batch method effectively disperses nano-scrap in the PET, wherein the lower GNP content provides better dispersion than the higher GNP content master-batch. Ultrasonic processing of PET generally provides a slight effect on molecular weight and increases its toughness without affecting the Young modulus. Biaxial-screw blending and ultrasonic-assisted biaxial-screw blending cause similar improvements in the Young modulus. In addition, the PET-GNP nanocomposite obtained by biaxial-screw mixing shows the GNP intergranular distance which decreases with increasing concentration. In particular, the 15% nanocomposite exhibits an average GNP particle distance of substantially 520 nm.
사출 성형에 의해 제조된 PET-GNP 나노복합체는 금형 표면 아래 실질적으로 200 μm의 깊이까지 흐름 방향으로 GNP의 선택적 배향을 나타낸다. 선택적 배향의 깊이는 PET-GNP 나노복합체의 냉각 속도에 좌우된다. 또한, GNP의 존재는 PET의 결정화 거동에 영향을 미치며, 여기서 결정화 온도는 그래핀으로부터의 추가의 핵생성과 함께 증가하고, 결정화 반감기 (t1/2)는 GNP 함량의 증가와 함께 증가한다. PET의 결정화도는 일반적으로 냉각 속도뿐만 아니라 신장량에 의해 영향을 받는다. 변형률-유도 결정화는 열적-유도 결정화와 비교할 때 PET의 기계적 특성을 개선시키는데 있어서 효과적이다. 따라서, 그래핀 보강재는, 흐름 방향을 따라 나노소판의 배향을 증가시키고 나노소판 유효 표면적을 증가시킴으로써 최적화될 수 있음을 이해할 것이다.The PET-GNP nanocomposites produced by injection molding exhibit selective orientation of GNP in the flow direction to a depth of substantially 200 μm below the surface of the mold. The depth of selective orientation depends on the cooling rate of the PET-GNP nanocomposite. In addition, the presence of GNP affects the crystallization behavior of PET, where the crystallization temperature increases with additional nucleation from graphene and the crystallization half-life (t 1/2 ) increases with increasing GNP content. The crystallinity of PET is generally influenced by the elongation as well as the cooling rate. Strain-induced crystallization is effective in improving the mechanical properties of PET as compared to thermal-induced crystallization. Thus, it will be appreciated that the graphene reinforcement can be optimized by increasing the orientation of the nanosplane along the flow direction and increasing the nanosplane effective surface area.
본 발명을 특정 변형 및 예시적 도면의 측면에서 기재하였지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 본 발명이 기재된 변형 및 도면으로 제한되지 않음을 인지할 것이다. 또한, 상기 기재된 방법 및 단계가 특정 순서로 발생하는 특정 사례를 가리키는 경우, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 특정 단계의 순서는 변경될 수 있고 그러한 변경은 본 발명의 변형에 따름을 인지할 것이다. 부가적으로, 특정 단계는 가능한 경우 병렬 공정으로 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 기재된 바와 같이 순차적으로 수행될 수 있다. 특허청구범위에서 발견되는 발명의 등가물 또는 개시내용의 취지 내에 있는 발명의 변형이 존재하는 정도로, 본 특허는 그러한 변형을 또한 커버할 것으로 의도된다. 따라서, 본 개시내용은 본원에 기재된 구체적인 실시양태에 의해 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것으로 이해되어야 한다.While the invention has been described in terms of certain variations and illustrative figures, those skilled in the art will recognize that the invention is not limited to the described variations and drawings. It will also be appreciated by those of ordinary skill in the pertinent art that the order of the specific steps may be varied and those variations are contemplated according to variations of the present invention, when the methods and steps described above refer to specific instances occurring in a particular order. Additionally, certain steps may be performed concurrently, as described above, as well as being performed concurrently, if possible, in a parallel process. To the extent that there are variations of the invention that are within the purview of equivalents or disclosures of the invention found in the claims, the patent is also intended to cover such modifications. Accordingly, it is to be understood that this disclosure is not limited by the specific embodiments described herein, but is only limited by the scope of the appended claims.
Claims (15)
하나 이상의 마스터-배치 펠릿을 수득하기 위해 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 분산된 그래핀 나노소판과 마스터-배치 방법을 사용하여 배합하며, 상기 마스터-배치 방법은 그래핀 나노소판을 폴리에틸렌 테레프탈레이트 내에 보다 낮은 그래핀 나노소판 함량으로 효과적으로 분산시켜 그에 의해 보다 높은 그래핀 나노소판 함량의 마스터-배치와 비교하여 개선된 분산을 제공하고,
폴리에틸렌 테레프탈레이트 - 그래핀 나노소판 나노복합체를 형성하는 것을 포함하며, 여기서 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 - 그래핀 나노소판 나노복합체는 0.5% 내지 15% 범위의 중량 분율을 포함하는 것인
방법.A method for producing graphene reinforced polyethylene terephthalate using injection molding,
The master-batch method is used to form the graphene nano-small pellets in a polyethylene terephthalate with a lower graphene content in the polyethylene terephthalate to obtain one or more master-batch pellets, To effectively disperse into the nano platelet content, thereby providing improved dispersion compared to the master-batch of higher graphene nanosepoxide content,
Wherein the polyethylene terephthalate-graphene nanoporous nanocomposite comprises a weight fraction ranging from 0.5% to 15%, wherein the polyethylene terephthalate-graphene nano plastic nanocomposite comprises a polyethylene terephthalate-
Way.
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