Каковы реологические свойства полимеров графена?

Было замечено, что степень дисперсии графена в полимерной матрице может влиять на текучесть или реологические свойства полимерных композитов. В результате основные свойства материалов в наномасштабе чувствительны к качеству дисперсии. Эта статья призвана пролить свет на важность реологического анализа в исследованиях полимеров графена.

Изображение предоставлено: Trading Ltd / Shutterstock.com

Роль графена в полимерном комплексе

Нанокомпозиты на основе полимеров вызвали большой исследовательский интерес за последние несколько десятилетий. Это связано с тем, что очень минимальное включение наноматериала позволяет улучшить свойства по сравнению с их соответствующими аналогами без наполнителя, что создает новые перспективы для постоянного спроса на современные полимерные композиты. В этом контексте широкий спектр нанонаполнителей, таких как керамика, металлы и наполнители на основе углерода, был включен в полимерную матрицу для производства высокоэффективных материалов, способных постоянно расширять рынки полимеров.

Графеновый наноматериал показал большой потенциал в качестве основы для новых нанокомпозитов на основе полимеров благодаря его низкой плотности, исключительным механическим и электронным свойствам и высокой теплопроводности.

Однако возможность графена обеспечивать улучшенные свойства при загрузке в полимеры сильно зависит от состояния дисперсии в матрице-хозяине; Действительно, графен имеет тенденцию к агрегации при погружении в вязкую среду, и эта ситуация ограничивает полную реализацию его теоретически присущих преимуществ.

Реологический анализ и его значение в исследованиях графена/полимера

Очень эффективным инструментом для наблюдения за дисперсионным состоянием графена в полимерной матрице является оценка его реологических свойств, таких как вязкость и вязкоупругие свойства. Дисперсное состояние графена и степень взаимодействия полимер-графен существенно влияют на вязкоупругие свойства полимерных нанокомпозитов. В результате концентрация графена сильно влияет на непрерывную графеновую сетку во всем полимере-основе.

Полученная полимерная сеть становится все более взаимосвязанной с увеличением количества графена. В конечном итоге он достигает критической концентрации, известной как порог реологической фильтрации, при которой между графеном и полимером образуется механически эффективная сеть. Концентрация и дисперсность графенового наполнителя определяет эту точку.

Реологическое поведение графена, диспергированного в полимерной матрице, можно условно разделить на три состояния. При низкой загрузке нанонаполнителя включение графена приводит только к короткодействующим взаимодействиям; Это известно как разбавленный режим. Возникновение фильтрующей сетки происходит при увеличении содержания нанонаполнителя, что приводит к переходу из разбавленного состояния в полуразбавленное; В этом случае реологическое поведение нанокомпозита зависит от взаимодействия между наполнителем и полимером.

Когда содержание графена превышает порог фильтрации, удовлетворяется концентрированное состояние, а реологические функции приближаются к асимптотическим значениям с чрезвычайно высокими значениями вязкости и динамического модуля.

Действительно, реологическое поведение систем на основе графена/полимера раскрывает ключевую информацию о взаимодействиях графена/полимера, возникающих на границе раздела, а также дает дополнительную информацию о потенциальном расположении нанокомпозитов на основе графена в матрице полимера-хозяина.

Примеры исследований реологических свойств графеновых полимерных материалов

Использование нанофильтров с улучшенной дисперсией или высоким соотношением сторон позволяет достичь фильтрации при разбавленных концентрациях. Например, в случае полимерных композитов, содержащих сажу (ТУ), количество ТУ, необходимое для образования пути фильтрации через матрицу, обычно составляет около 10 мас. процентов, но это количество значительно снижается до 0,2 мас. процентов с использованием графеноподобных наполнителей.

Исследователи обнаружили, что добавление графена к биоразлагаемым полимерам, таким как полимолочная кислота, может значительно увеличить вязкость и динамический модуль, что приводит к повышению прочности и долговечности биоразлагаемых пластиков. В результате реологический анализ дает общее представление о свойствах технологичности нанокомпозитов.

Оборудование, используемое в реологическом анализе

Реометрия используется для оценки реологических свойств расплавленных полимеров, где скорость сдвига и температура варьируются. Испытания на реологию вязкости проводят, когда полимер находится в фазе плавления или после того, как он был растворен в растворителе.

Термо Фишер Сайентифик^ТМ Это один из примеров поставщиков реометров. В частности, их реометры HAAKE широко известны своей точностью и простотой использования. Приборы предназначены для надежного измерения механических и вязких свойств полимеров в различных состояниях.

Всеобъемлющая упрощенная характеристика полимерных материалов может быть достигнута путем применения различных методов испытаний. Данные развертки по частоте обеспечивают прямое измерение вязкоупругих и упругих свойств полимера. Он представлен единицами объема и потерь (G&G), измеренными на разных частотах/временных шкалах. Ротационные тахометры также могут быть использованы для проведения динамического термомеханического анализа (ДМТА), в котором полученные данные используются для выявления характерных фазовых переходов из жидкого состояния в твердое.

Резюме

Оценка реологического поведения является очень мощным инструментом для определения дисперсии графеновых наноматериалов и их взаимодействия между полимерными цепями, поскольку они сильно влияют на свойства вязкоупругого материала. Более того, реологические свойства важны при анализе свойств текучести расплава композитов графен/нанополи. Понимание и проектирование поведения потока имеет решающее значение для его обработки и коммерческих приложений.

Определение нанонауки: методы и приложения.

Ссылки и дополнительная литература

Дас, М., и Дэй, А. (2022). Реологические свойства полимерно-графеновых композитов. Полимерные нанокомпозиты, содержащие графен, 183-210 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128216392000215

C. Küchenmeister-Lehrheuser, K. Oldörp, F.Meyer, Стабилизатор твердых тел для динамического механического анализа (DMTA) с реометрами HAAKE MARS, Научная информация о продукте Thermo Fisher P004 (2016)

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в его личном качестве, и не обязательно отражают мнение AZoM.com Limited T/A AZoNetwork является владельцем и оператором этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью условий использования этого веб-сайта.