scholarly journals Time‐dependent properties of graphene nanoplatelets reinforced high‐density polyethylene

2021 ◽  
pp. 50783
Author(s):  
Zainab Al‐Maqdasi ◽  
Liva Pupure ◽  
Guan Gong ◽  
Nazanin Emami ◽  
Roberts Joffe
Keyword(s):  
High Density Polyethylene ◽  
Graphene Nanoplatelets ◽  
High Density ◽  
Time Dependent

Effect of graphene nanoplatelets on the physicochemical properties of high-density polyethylene nanocomposites

2020 ◽  
Author(s):  
Ευαγγελία Ταράνη
Keyword(s):  
Physicochemical Properties ◽  
High Density Polyethylene ◽  
Graphene Nanoplatelets ◽  
High Density

Τελευταία, υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τα νανοσύνθετα που εφαρμόζονται σε θερμικά αγώγιμα πολυμερικά υλικά. Τα πολυμερή που είναι πολύ αγώγιμα και ηλεκτροχημικά ενεργά έχουν επικεντρωθεί σε ορισμένες ελπιδοφόρες εφαρμογές όπως ηλιακά στοιχεία, αισθητήρες, συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και σωλήνες.Το πολυαιθυλένιο (PE) είναι ένα ημι-κρυσταλλικό πολυμερές χαμηλού κόστους που παρουσιάζει καλές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες, καθώς και υψηλή χημική αντοχή. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτοκινητοβιομηχανία, σωλήνες, μπουκάλια, καλωδιακά καλύμματα και σωλήνες. Σε ορισμένες περιοχές, η χρήση PE περιορίζεται λόγω των χαμηλών μηχανικών του ιδιοτήτων και ιδιοτήτων φραγής αερίου, της χαμηλής αντοχής στη θερμότητα και των χαμηλών τιμών θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας, μεταξύ άλλων. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα, όπως το οξείδιο του γραφενίου (GO) και τα νανοφυλλίδια του γραφενίου (GNPs), έχουν προταθεί ως πολυλειτουργικά νανοπληρωτικά επόμενης γενιάς για τη βελτίωση των πολυμερικών μητρών λόγω των εξαιρετικών μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων, καθώς και των ιδιοτήτων φραγμού αερίου. Το GO είναι ένα οξειδωμένο παράγωγο γραφενίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως ως εναλλακτική ή πρόδρομη ουσία γραφενίου λόγω της υψηλής διασποράς, της επεξεργασιμότητας σε υδατικό περιβάλλον, του χαμηλού κόστους, της εύκολης σύνθεσης και της ευρείας δυνατότητας μετατροπής του σε γραφένιο. Παράγεται από νιφάδες γραφίτη με τη μέθοδο της θερμικής οξείδωσης που εφευρέθηκε από τον Hummer και τροποποιήθηκε από τους διαδόχους. Τα GNPs είναι μικρές στοίβες πολλαπλών φύλλων γραφενίου, που συνήθως προέρχονται από ενώσεις γραφίτη. Τα GNPs έχουν προταθεί ως επιλογή χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τους νανοσωλήνες άνθρακα και το μονό στρώμα γραφενίου, παρέχοντας αγωγιμότητα σε πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σωματιδίων. Επίσης, παρέχουν ενίσχυση που δεν μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μαύρου άνθρακα. Ο πρώτος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση GO από τον γραφίτη χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Hummer. Ο χαρακτηρισμός του GO επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τις μεθόδους XRD, XPS, FTIR, UV-Vis φασματοσκοπία, RAMAN, TGA, SEM και TEM. Ο δεύτερος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE/GNPs ενισχυμένων με διαφορετικά μεγέθη διαμέτρου (5, 15 και 25 μm) σε διάφορες συγκεντρώσεις (0,5-5% κ.β.) με τη μέθοδο της ανάμιξης τήγματος. Αναφέρεται η επίδραση του μεγέθους της διαμέτρου και της συγκέντρωσης των πληρωτικών στις μορφολογικές, δομικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών. Αυτή η διατριβή στοχεύει στη μέτρηση, κατανόηση, μοντελοποίηση και πρόβλεψη της επίδρασης ρεαλιστικών συνθηκών επεξεργασίας στις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της πολυμερικής μήτρας του HDPE. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν προηγμένες πειραματικές τεχνικές. Έτσι, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής δομική και μορφολογική μελέτη των GNPs στη μήτρα του HDPE (π.χ. κρυσταλλικότητα, αλληλεπίδραση, διασπορά) συνδυάζοντας Περίθλαση Ακτίνων-Χ (XRD), Φασματοσκοπία Raman, Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνω-X (XPS), Φασματοσκοπία Υπερύθρων με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Πολωτικό Οπτικό Μικροσκόπιο (PLM), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (ΤΕΜ) και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM). Για να επιτευχθεί καλύτερη πληρότητα σχετικά με τη δομή των νανοσύνθετων HDPE/ GNPs, η σχετική κρυσταλλικότητα υπολογίστηκε και συγκρίθηκε χρησιμοποιώντας κάποιες από τις προαναφερθείσες τεχνικές (XRD, FTIR, Raman και DSC). Η κρυστάλλωση και η τήξη των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE /GNPs σε μη ισόθερμες συνθήκες μελετήθηκε σε διάφορους ρυθμούς ψύξης χρησιμοποιώντας τη συμβατική Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC), καθώς και τη Διαφορική Θερμιδομετρία Πολύ Γρήγορης Σάρωσης (FSC). Η πρωτογενής και δευτερογενής κινητική κρυστάλλωσης των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE/GNPs χαρακτηρίστηκαν ως συνάρτηση του ρυθμού ψύξης. Η προσέγγιση για την περιγραφή πρωτογενούς κρυστάλλωσης βασίζεται σε εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία πυρήνωση και ανάπτυξη σφαιριδίων που διέπονται από εξίσωση τύπου Avrami. Εξετάστηκε μια ισομετατροπική τεχνική για την αξιολόγηση της ενέργειας ενεργοποίησης των νανοσύνθετων κατά τη διαδικασία κρυστάλλωσης μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία. Η FSC ολοκληρώθηκε με μια σε βάθος ανάλυση των πολλαπλών κορυφών τήξης χρησιμοποιώντας την τεχνική της Διαμορφωμένης Θερμοκρασίας DSC (TM-DSC). Παρουσιάστηκε η επίδραση της διαμέτρου των GNPs στη θερμική σταθερότητα και τον μηχανισμό κινητικής των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών του HDPE χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Θερμοσταθμικής Ανάλυσης (TGA). Πραγματοποιήθηκε διεξοδική μελέτη για την κινητική θερμικής αποικοδόμησης σε όλα τα προετοιμασμένα δείγματα και ακολουθήθηκαν διαδικασίες προσαρμογής μοντέλου για τον υπολογισμό των ενεργειών ενεργοποίησης. Προκειμένου να κατανοηθεί σε βάθος ο μηχανισμός αποσύνθεσης, χρησιμοποιήθηκε η Πυρολυτική Αέρια Χρωματογραφίας- Φασματοσκοπία Μάζας (Py-GC/MS) στα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά HDPE/GNPs έτσι ώστε να ανιχνευθεί κάθε ένα από τα θραύσματα που προέρχονται από κάθε μακρομόριο και να συσχετιστούν τα συλλεγόμενα δεδομένα με τον μηχανισμό αποσύνθεσης. Η επίδραση των GNPs με διαφορετικές διαμέτρου στη θερμική αγωγιμότητα, διερευνήθηκε συστηματικά σε όλες τις τιμές των συγκεντρώσεων. Επίσης, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα των επιλεγμένων μικρομηχανικών μοντέλων στην πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας των νανοσύνθετων υλικών. Διερευνήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση του μεγέθους των GNPs στις θερμομηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων, π.χ. μέτρο αποθήκευσης, συντελεστής απόσβεσης και ιξώδες. Οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων HDPE/GNPs χαρακτηρίστηκαν από δοκιμές εφελκυσμού. Δοκιμάστηκαν διάφορα μικρομηχανικά μοντέλα και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα λαμβάνοντας υπόψη τα διεσπαρμένα και συσσωματωμένα GNPs στη μήτρα HDPE, καθώς και την επίδραση του μηχανικού κατωφλίου αγωγιμότητας. Τέλος, SEM χρησιμοποιήθηκε για να παρατηρηθούν οι επιφάνειες θραύσης των νανοσύνθετων μετά από δοκιμές εφελκυσμού.

scholarly journals Size effects of graphene nanoplatelets on the properties of high-density polyethylene nanocomposites: morphological, thermal, electrical, and mechanical characterization

2020 ◽  
Vol 11 ◽  
pp. 167-179 ◽  
Author(s):  
Tuba Evgin ◽  
Alpaslan Turgut ◽  
Georges Hamaoui ◽  
Zdenko Spitalsky ◽  
Nicolas Horny ◽  
...  
Keyword(s):  
Mechanical Properties ◽  
Percolation Threshold ◽  
Size Effects ◽  
High Density Polyethylene ◽  
Considerable Effect ◽  
Graphene Nanoplatelets ◽  
High Density ◽  
Filler Concentration ◽  
Lateral Size ◽  
Sem Images

High-density polyethylene (HDPE)-based nanocomposites incorporating three different types of graphene nanoplatelets (GnPs) were fabricated to investigate the size effects of GnPs in terms of both lateral size and thickness on the morphological, thermal, electrical, and mechanical properties. The results show that the inclusion of GnPs enhance the thermal, electrical, and mechanical properties of HDPE-based nanocomposites regardless of GnP size. Nevertheless, the most significant enhancement of the thermal and electrical conductivities and the lowest electrical percolation threshold were achieved with GnPs of a larger lateral size. This could have been attributed to the fact that the GnPs of larger lateral size exhibited a better dispersion in HDPE and formed conductive pathways easily observable in scanning electron microscope (SEM) images. Our results show that the lateral size of GnPs was a more regulating factor for the above-mentioned nanocomposite properties compared to their thickness. For a given lateral size, thinner GnPs showed significantly higher electrical conductivity and a lower percolation threshold than thicker ones. On the other hand, in terms of thermal conductivity, a remarkable amount of enhancement was observed only above a certain filler concentration. The results demonstrate that GnPs with smaller lateral size and larger thickness lead to lower enhancement of the samples’ mechanical properties due to poorer dispersion compared to the others. In addition, the size of the GnPs had no considerable effect on the melting and crystallization properties of the HDPE/GnP nanocomposites.

Nonlinear creep in high-density polyethylene under time-dependent stresses

1975 ◽  
Vol 9 (5) ◽  
pp. 704-709
Author(s):  
A. F. Kregers ◽  
U. K. Vilks ◽  
M. Ya. Leitane
Keyword(s):  
High Density Polyethylene ◽  
High Density ◽  
Time Dependent ◽  
Nonlinear Creep
Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document