Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3456
Main Title: Characterization of Polymer Nanocomposites based on Layered Double Hydroxide and Carbon Nanotubes
Translated Title: Charakterisierung von Polymeren Nanokompositen auf der Basis von schicht-artigen Metallhydroxiden und Kohlenstoffnanoröhren
Author(s): Purohit, Purv
Advisor(s): Schönhals, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Polymer-Nanokomposite hergestellt durch Schmelzmischen von synthetisierten ZnAl-Layered Double Hydroxide (ZnAl-LDH) und Polyolefine (Polypropylen und Polyethylen) sowie auch Polylactid mit MgAl-LDH und multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNT) wurden untersucht. Das LDH wurde organisch unter Verwendung des Tensids Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS) modifiziert, um den Abstand zwischen den Schichten der LDH zu erhöhen, so dass sich die Polymerketten zwischen den Schichten einfügen können. In die PP und PE basieren Nanokomposite wurde eine gewisse Menge an Maleinsäureanhydrid aufgepfropft auf PP bzw. PE eingearbeitet, um die Wechselwirkung der nicht polaren Polymeren (PP und PE) mit dem LDH zu ermöglichen. Die resultierende Morphologie wurde durch eine Kombination von Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), Klein- und Weitwinkelröntgenstreuung (SAXS und WAXS) und dielektrischer Relaxationsspektroskopie (BDS) untersucht. Im Falle der LDH Nanokomposite (PP, PE und PLA) wurde die Homogenität der Nanokomposite und die durchschnittliche Anzahl der „Stapelgröße“ (4 - 7 Schichten) mittels scanning micro Focus SAXS (BESSY II) untersucht. DSC Untersuchungen auf PP und PE basierenden LDH Nanokompositen zeigten eine lineare Abnahme des Kristallinitätsgrades als Funktion der Füllstoffkonzentration. Die Extrapolation dieser Abhängigkeit auf null ergibt eine grenz Konzentration von 40 Gew.% bzw. 45 Gew.%. Für hohe Konzentration an LDH ist die Kristallinität der Polymere vollständig unterdrückt. Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit den WAXS-Untersuchungen, wobei die Fläche unterhalb der kristallinen Reflexe und dem amorphen “Halo“ berechnet wurde, um den Grad der Kristallinität zu berechnen. Die PLA / LDH Nanokomposite zeigten ein etwas anderes Verhalten. Die Kristallinität des Polymers wachst zunächst mit steigendem LDH Konzentration an und nimmt dann als Funktion der LDH Konzentration ab. Bei diesen System wird die Kristallinität bei etwa 15 Gew.% unterdrückt. Die dielektrischen Spektren der Nanokomposite auf PP / LDH und PE / LDH Basis weisen mehrere Relaxationsprozesse auf, die im Detail diskutiert werden. Die Intensität der dynamischen Glastemperatur (β-Relaxation) steigt mit der Konzentration von LDH an. Dies ist auf die Erhöhung der Konzentration des ausgetauschten Anions Dodecylbenzolsulfonat (SDBS) zurückzuführen, welches an den LDH Schichten adsorbiert wird. Daher bietet eine detaillierte Analyse der β-Relaxation Informationen über die Struktur und die molekulare Dynamik in der Grenzregion zwischen den LDH Schichten und der Polymer-Matrix, welche sonst dielektrisch unsichtbar ist (niedriges Dipolmoment). Im Falle von PLA / LDH konnten zwei Relaxationsprozesse zurückzuführen auf den dynamischen Glasübergang und lokalisierte Fluktuationen identifiziert werden. Diese wurden im Detail analysiert, um die Morphologie zu verstehen. Zusätzliche thermische Untersuchungen wurden für PP / LDH und PLA / LDH Proben durchgeführt. Der Anstieg in der starren amorphen Fraktion (RAF) wurde in beiden Fällen beobachtet. Dies ist auf die Polymermoleküle, die in unmittelbarer Nähe der LDH-Platten sind zurückzuführen, da diese sie in ihrer Mobilität behindern. Eine detaillierte Analyse und eine Korrelation mit den BDS Ergebnissen werden durchgeführt. Die PLA basierten MWCNT Nanokomposite wurden zunächst mit BDS untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass zwischen 0,5 und 1 Gew.% CNT ein perkoliertes Netzwerk von Nanoröhren gebildet wird, welches zur Gleichstrom-Leitfähigkeit des Systems führt. Dies kann durch das hohe Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser) der CNTs sowie durch die van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Nanoröhren erklärt werden, welche ein Netzwerk ausbilden und so zu Leitfähigkeit führen.
Polymer based nanocomposites by melt blending of synthesized ZnAl-Layered Double Hydroxide (ZnAl-LDH) and Polyolefines [Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE)] and also Polylactide (PLA) with MgAl-LDH and multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNT) were investigated. The LDH was organically modified by using a surfactant sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS) to increase the interlayer spacing of the LDH, so that polymer chains can intercalate the inter layer galleries. Some amount of maleic anhydride grafted PP and PE were incorporated in the nanocomposites based on PP and PE respectively to enable the interaction of the non-polar polymers (PP and PE) with the LDH. The resulting morphology was investigated by a combination of Differential Scanning Calorimeter (DSC), Small and Wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) and broadband dielectric relaxation spectroscopy (BDS). In case of LDH based nanocomposites (PP, PE and PLA), the homogeneity of the nanocomposites and the average number of stack size (4 – 7 layers) were determined using scanning micro focus SAXS (BESSY II). DSC investigations of PP and PE based LDH nanocomposites showed a linear decrease in crystallinity as a function of filler concentration. The extrapolation of this decreasing dependence to zero estimates a limiting concentration of 40 wt% and 45 wt% respectively. Above this amount of LDH the crystallinity of the polymers is completely suppressed. This finding is in agreement with WAXS investigations where the area below the crystalline reflections and amorphous halo were calculated and used to estimate the degree of crystallinity. PLA/LDH nanocomposites presented a little different behavior, the crystallinity of the polymer at first increases and then decreases as a function of LDH concentration. In this case the crystallinity will be suppressed at around 15 wt%. The dielectric spectra of the nanocomposites based on PP/LDH and PE/LDH show several relaxation processes which are discussed in detail. The intensity of the dynamic glass transition increases with the concentration of LDH. This is attributed to the increasing concentration of the exchanged anion dodecylbenzene sulfonate (SDBS) which is adsorbed at the LDH layers. Therefore, a detailed analysis of the -relaxation provides information about the structure and the molecular dynamics in the interfacial region between the LDH layers and the polymer matrix which is otherwise dielectrically invisible (low dipole moment, non-polar). In case of PLA/LDH, three relaxation processes related to dynamic glass transition and one localized fluctuations were identified and analyzed in detail to understand the morphology. For this system, one dynamic glass transition process originates from the fluctuations of the interfacial molecules, second from the PLA matrix (polar polymer, C=O in the main chain) and the third from segments confined between the intercalated LDH sheets. Additional thermal investigations were carried out for PP/LDH and PLA/LDH samples. The increase in the rigid amorphous fraction (RAF) was observed in both the cases. This is attributed to the polymer molecules which are in close proximity to LDH sheets, as they hinder their mobility. This is analyzed in detail and related to the BDS results. PLA based MWCNT nanocomposites were investigated by BDS as initial result. The findings showed that between 0.5 and 1 wt% of CNT, a percolating network of the nanotubes is formed which leads to DC conductivity. This is due to the high aspect ratio of the CNTs and also the van der Waals interaction between the nanotubes which forms a network leading to conductivity.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37800
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3753
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3456
Exam Date: 23-Nov-2012
Issue Date: 19-Dec-2012
Date Available: 19-Dec-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Charakterisierung
Hydrotalkt
Kohlenstoffnanoröhren
Polymer Nanokomposite
Struktur-Eigenschaften Beziehungen
Carbon Nanotubes
Characterization
Layered Double Hydroxide
Nanocomposites
Polymer
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