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包括的事宜
摘要
簡介
表面能
表面能的確定
倒數氣相色譜
原理
什麼是表面能？
使用計算的 IGC 表面能
手段和方法
材料
聚氨酯 Nanocomposites 的準備
表面能評定
聚氨酯 Nanocomposites 的描述特性
結果和論述
結論
摘要
最終綜合力量是高度依賴在這個裝填材料和矩陣之間的界面的交往。 Nanomaterials 獲得持續的利息作為增強材料在綜合系統。 幾 nanomaterials 的表面能值由倒數氣相色譜評定 (IGC)。 在此研究中，表面能值用於確定黏附力熱力學工作并且與不同的 nanofiller 聚氨酯綜合的機械性能比較。
簡介
使用作為綜合加強的材料的 nanomaterials 近年來表示了重大的利息。 碳 nanotubes 和黏土 nanoparticles 被學習了作為方法改進綜合屬性。 nanocomposites 質量和性能嚴格取決於要素的交往在他們的界面。 要提高黏附力屬性在這個界面， nanomaterials 經常顯示在多種表面 functionalisation 進程。
表面能
補白矩陣交往通常是由黏附力和內聚現象描述的。 兩個屬性取決於表面能通常表示的材料的表面精力充沛的情形。
表面能的確定
在此研究中，和 nanoclays 倒數氣相色譜 (MWCNT)取決於不同的多被圍住的碳 nanotubes 用不同的表面處理的表面能。 Nanofiller 矩陣交往通過黏附力熱力學工作從表面能值的被計算了并且關聯與綜合機械性能。
倒數氣相色譜
倒數氣相色譜是為微粒物質、纖維和影片的描述特性的一個著名的工具。 IGC 介入蒸氣 (探測分子) 的吸著與在吸附性的固定相上的已知的物理化學的屬性與未知的物理化學的屬性。 此途徑倒置常規關係在分析色譜法方面找到的移動和固定相之間。 越嚴格蒸氣階段 (已知的屬性) 的交往與未知的吸附 (未知的屬性)，越精力充沛表面和越長蒸氣階段停留時間。 為此熱力學參數的範圍可以從留成工作情況派生。
原理
什麼是表面能？
其中一個精力充沛的情形的說明的最常用的參數在固體的表面的是表面能。 表面能是類似於液體的表面張力。 表面能描述，反之，指明的粘著和黏著力之間的交往弄濕是否發生。 用實際的話說，越高表面能越易反應表面。 表面能參數可以分開成一個分散性和一個特定組件。 分散性表面能可以從一系列的被注射的正烷烴的停留時間直接地被計算。 表面能的特定攤繳通過特定熱力勢間接得到，得到通過注射極性探測分子的範圍。
使用計算的 IGC 表面能
通過運用一個適當的概念，酸基礎編號可以從特定熱力勢被計算。 酸基礎屬性的研究由 IGC 的有在表面組取向的上變化可以被學習的附加利益。 那些變化不一定與差異有關在構成上。 為此分光鏡方法為這些作用的研究是較不適當的。
用於 IGC 的酸基礎計算的一個公用途徑是有篷貨車 Oss 概念，提供在部件的酸和基本編號和分散性表面能一樣。
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- (1)
在式 1， ãS+ 和 ãS- 是電子接受人 (酸)，并且表面的給電子體 (基本) 參數和 ãL+ 和 ãL- 是探測分子的電子接受人和服務供應商參數。 不幸地，以其原來形狀，此等式可能為相對比較只使用由於導致碱度的過高估計的不正確的開始的參數。 要更正此和減少探測區分，輸入參數為酸基值的一個更加可靠的確定被重新調節根據 Della Volpe [12]。 此重新調節，有篷貨車 Oss 概念為比表面能源的確定是有用的。
比表面能源可以從 ã 和L+ ã 編號L- 得到根據式 2 ：
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- (2)
手段和方法
材料
多被圍住的 nanotubes (純度 > 95%，直徑 10-30 毫微米，長度 0.5-40 ìm) 從商業來源獲得了。 關於這些材料的綜合、洗淨和熱量處理歷史記錄的信息不知道。 材料使用了作為接受 (ARMWCNT)。 MWNT 通過聲波處理和循環加熱然後氧化在 9.5 mol/l HNO3 解決方法導致表面 COOH 組 (MWNT-COOH)。
黏土 nanoparticles 是 Laponite，一綜合 hectorite (南部的黏土產品)。 此材料使用了作為接受 (ARnanoclay)。 材料進一步對待與包括異氰酸鹽組 (fNCO-nanoclay)。 Isophrone 二異氰酸鹽 (IPDI) (Desmondur 我，貝爾，美國) 為 NCO functionalisation 使用了。 一種特殊性典型此單體是一個二個 NCO 組比另一個 NCO 組五到十倍易反應。 Dibutyltin dilaurate (Aldrich) 使用了作為這種催化劑。
聚氨酯 (PU)使用了作為模型基體材料。 PU 包括了一丙烯酸酯的 polyesterpolyol (Joncryl 588，約翰遜聚合物) 和縮二脲 hexamethylene 三異氰酸鹽 (Desmodur N3200，貝爾，美國)。 無水 1,2-亞乙基二醇二甲基以太 (DME， Acros 有機物) 使用了作為這種溶劑為 PU functionalization 回應。 無水試劑等級丙酮為綜合處理使用了。
聚氨酯 Nanocomposites 的準備
PU/MWNT 綜合被製造了在 nanotube 裝載 0.5， 1 和 2%。 PU/nanoclay 綜合做在 nanoclay 裝載 0.5， 1 和 5%。 裝載百分比在 nanofiller 基礎上質量在 PU 聚合物的質量的。 對於 nanocomposites，獨立影片由下列步驟準備。 第一 nanomaterials 在 2 的 H. 丙酮被聲波了處理。 為 1 个 h 在多羥基化合物和更加進一步然後被分散了聲波處理的微粒使用一 80 KHz 技巧 sonicator。 在混合範例的高剪以後去除了毒氣在室溫的真空下 1 个 H. 的。 終於， nanocomposite 混合物被減少了在版本文件上，并且發生的影片是 4 天在 4 个 h 治療跟隨的四周情況在 130 个 °C. 最終膠片厚度從 50 範圍到 100 ìm。
表面能評定
對於 IGC 實驗範例被包裝了成 silanised 玻璃列 (30 cm，長 2 mm ID)。 在評定之前這個範例被預處理在評定溫度 2 時數在原處去除所有表面蒸氣汙染物。 使用 SMS-IGC 2000年系統 (表面測量系統，英國)， IGC 評定進行了。 MWNT 和 nanoclay 範例被評定了在 373 K 與直鏈烷 10 个 ml/min. 的氦氣運載氣體流速 (癸烷通過己烷) 使用作為分散性探測分子。 二氯甲烷和乙酸乙酯使用了作為酸性和基本的探測分子，分別。 探測分子被注射到氦氣流通過與 250 ìl 數量的一個循環以 0.03 p/p0 的濃度獲得仅蒸氣吸附交往被評定的無限稀釋情況。 甲烷射入取決於停止時間。
聚氨酯影片的表面能通過交會角被評定了。 水和 diiodomethane 交會角被評定了使用小滴 (2ìL) 其中每一。 發生分散性和特定 (極性) 表面能從平均數在聚氨酯影片的 6 個評定被採取了。
聚氨酯 Nanocomposites 的描述特性
機械性能 (拉伸模數、抗拉強度和出產量) PU/nanofiller 綜合由動態機械熱分析在 (DMTA)拉伸模式下評定以 0.02 mm/s. 範例幾何的擴展名費率是 45 mm x 與範圍從 50 的厚度的 5 mm 到 100 ìm。 nanocomposites 的 Tg 值由 DMTA 在動態模式下得到在 5 Hz 頻率， 0.1% 張力，在 30 和 170 °C 和 30 mm x 之間 10 mm 範例。
結果和論述
圖 1 顯示對總表面能的分散性 (固定的棒) 和特定 (被遮蔽的棒) 攤繳 MWNT， functionalized MWNT， nanoclay， functionalized nanoclay 和 PU 範例的。 而交會角為 PU 影片，使用了 MWNT 的表面能， nanoclay 和衍生物範例通過 IGC 被評定了。 對於 nanotubes， MWNT-COOH 範例有顯著更高的總表面能與 AR-MWNT 範例比較。 這能歸結於引入缺陷和3 縮短 nanotube 長度的嚴重 HNO 酸處理。 積極氧化看上去使 MWNT 更加易反應。 對於 nanoclay 微粒， ARnanoclay 有顯著更高的表面能與 fNCO-nanoclay 比較。 清楚地，異氰酸鹽 functionalisation 步驟激烈地鈍化 nanoclay 微粒的表面。
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圖 nanoparticles 和 PU 影片的 1. 分散性 (固定) 和特定 (被遮蔽的) 表面能。
與純 PU 材料比較， MWNT 材料的添加有對綜合的機械性能的深刻影響。 例如，與 1% AR-MWNT 裝載 (由重量)，模數、抗拉強度和出產量分別增加了 94%， 98% 和 60% [13]，當與單獨 PU 矩陣比較。 這個 MWNT 類型或裝載的金額有對 PU 的 Tg 的少許作用 (參見表 1)。 在二個 MWNT 範例之間，與 AR-MWNT 材料的綜合改進機械性能與 MWNT-COOH 綜合比較。 例如，在 0.5 wt % 裝載，這個模數是 1.93 AR-MWNT 綜合的 GPa，但是仅 1.53 MWNTCOOH 綜合的 GPa (參見表 1)。
表 1. Nanofiller/PU 綜合的機械性能和 Tg。
| 範例 | 拉伸模數
(GPa) | 抗拉強度在
中斷 (MPa) | Tg (°C)
[最大 tanä] |
| 單獨 PU | 1.46 ± 0.13 | 61 ± 4 | 81 |
| 0.5% AR-MWNT | 1.93 ± 0.17 | 60 ± 7 | 79 |
| 0.5% MWNT-COOH | 1.53 ± 0.14 | 56 ± 6 | 76.5 |
| 1.0% ARnanoclay | 2.05 ± 0.15 | 54 ± 11 | 77.5 |
| 1% fNCO-nanoclay | 2.31 ± 0.12 | 71 ± 7 | 80.8 |
对 nanoclay 範例，有在模數的一個 36% 增量 ARnanoclay 綜合的與單獨 PU 比較。 然而， AR的添加 nanoclay 導致在抗拉強度的減少，并且在中斷的伸長，指示綜合變得更加易碎。 結合，這些結果建議 ARnanoclay 做一個粗劣的工作在從 PU 的調用的重點。 然而， fNCO-nanoclay 綜合的 modulii 高於那些 ARnanoclay 範例的。 例如，合併 1.0% (重量分數) fNCO-nanoclay increases 模數 58% 和增量抗拉強度 16% (參見表 1)。 在機械性能的改善 (抗拉強度和模數) fNCO-nanoclay 綜合建議異氰酸鹽 functionalisation 改進這些材料的界面的調用結構。
如上所述， MWNT-COOH 範例的總表面能高於 AR-MWNT 範例。 更高的表面能，有更加巨大的內聚力 (微粒微粒交往)，可能導致增加的附聚 (或粗劣的散射) 和減少的負荷調用到 MWNT 補白。 表 2 列出熱力學工作黏附力 (微粒矩陣交往) 與工作內聚比較 (微粒微粒交往) 所有微粒矩陣對的。 附註，這些值在各自的綜合要素基礎上的表面能值下面如式 3 和 4 所顯示。
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- (3)
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- (4)
黏附力 nanofiller/PU 綜合的內聚值表 2. 熱力學工作。
| 範例 | Wad (mJ/m)2 | Wcoh (mJ/m)2 | W/Wadcoh |
| AR-MWNT | 160.4 | 293.4 | 0.55 |
| MWNT-COOH | 178.8 | 366.2 | 0.49 |
| ARnanoclay | 188.3 | 404.3 | 0.47 |
| fNCO-nanoclay | 104.9 | 121.9 | 0.86 |
在上述等式， Wad 是黏附力工作， Wcoh 是內聚工作， ãD 是分散性表面能，并且 ãSP 是比表面能源。 W/Wadcoh 比例給強制平衡的指示在黏附力和內聚之間的。 例如，如果 particleparticle 交往太高，造成高 Wcoh 值和低 W/Wadcoh 比例、然後附聚或者粗劣的微粒散射可以發生。 並且，如果微粒矩陣交往是太低的，造成低一團和低 W/Wadcoh 比例，然後粗劣的微粒矩陣黏附力可以發生。 理論上，應該開發公式化優選 W/Wadcoh 比例。
比較值在表 2 與 MWNT 綜合的機械性能顯示有趣相關性。 AR-MWNT 綜合有優越機械性能和一個更高的 W/Wadcoh 比例與 MWNT-COOH 綜合比較。 所以，從表面能預測的熱力學黏附力與實際綜合性能關聯。
ARnanoclay 範例的 (202.1 mJ/m) 和發生的低 W/W 比例2非常高adcoh 表面能建議 nanoclay 微粒微粒交往熱力學上控制。 這可能導致微粒或粗劣的散射的增加的離析，造成減少的微粒矩陣交往。 機械數據為 fNCO-nanoclay 綜合指示在綜合力量的改善。 fNCO-nanoclay 材料的總表面能值 (60.9mJ/m)2 比對於這個低 ARnanoclay 範例，指示被鈍化的表面。 越較低表面能源減少微粒微粒交往 (內聚力) 應該增加微粒矩陣交往。 一團/Wcoh 比例為 fNCO nanoclay PU 配對是高 (0.86) 與 AR nanoclay PU 配對比較 (0.47)。 所以，從各自的組件表面能值預測的熱力學黏附力值有利地與綜合的機械工作特性一致。
結論
在 MWNT 和 nanoclay 微粒的 IGC 評定的表面能值用於預測聚氨酯納米顆粒綜合性能。 对 MWNT 範例，氧化與 HNO3 使表面更加易反應，可能導致增加的 particleparticle 交往和減少的交往與 PU 矩陣。 MWNT-COOH 綜合的減少的模數對應以更低的 W/Wadcoh 比例。 對於 nanoclay 範例， ARnanoclay 比異氰酸鹽對待材料有一個更高的表面能和更低的一團/Wcoh 比例。 並且， fNCO-nanoclay 綜合陳列了優越機械性能。 同時，這些結果建議 ARnanoclay 微粒和 PU 之間的粗劣的微粒矩陣交往，但是 fNCO-nanoclay 材料的被改進的微粒矩陣交往和 PU。 本文顯示表面能值如何可以用於評定在表面化學上的變化和根本地預測綜合性能。
參考一個完整集可以通過是指源文檔找到。
作者： 丹尼爾 J. Burnett 和阿爾曼多 R. 加西亞; 表面測量系統和 Aline Granier， Bastien Pellegrin 和 Tinh Nguyen; 國家標準技術局
來源： 表面測量系統案例分析 609 - 表面能/熱力學黏附力值與機械性能比較在 Nanocomposites
關於此來源的更多信息，请請參觀表面測量系統