Dispersion and alignment quantification of carbon nanotubes in a polyvinyl alcohol matrix

Abstract

In recent years, due to their high specific mechanical properties, polymer matrix composites have been widely used. In particular, carbon nanotubes have been used as reinforcement because of their exceptional properties. In this work, the degree of dispersion and alignment of multiwalled carbon nanotubes into polyvinyl alcohol was quantified, which is a key information to optimize the mechanical properties of composites. For the dispersion of the multiwalled carbon nanotubes into the solution, a magnetic stirring and ultrasonic agitation were used. Finally, the mixture was dried to obtain a multiwalled carbon nanotubes reinforced polymer. The composites were mechanically stretched to obtain sheets with multiwalled carbon nanotubes aligned in the stretching direction. The layers obtained were prepared for transmission electron microscopy analysis. A dispersion quantification method based on the statistical distribution of horizontal and vertical separation distance between carbon nanotubes was used; a lognormal distribution was obtained. The angle of carbon nanotubes with respect to the stretching direction was used to quantify the alignment degree of carbon nanotubes. The bulk mechanical properties of the composites were measured by nanoindentation test; tensile test allowed to measure the mechanical properties of the composites in both the stretching and perpendicular directions to the stretching direction. Multiwalled carbon nanotubes showed a good dispersion and alignment degree and this, in conjunction with stretching, produced a high increase of both the stiffness and strength in the stretching direction, which allowed an increment of the mechanical properties measured by nanoindentation test; the best properties of the composites were reached with 0.5 wt% of MWCNTs.

Estudio de las propiedades tribológicas de una aleación de magnesio AZ31B reforzado con nanotubos de carbono

“…% en peso; posteriormente, la solución de PVA-CNTs fue sonificada en un equipo Vibra Cell series CLC hasta alcanzar 45, 60 y 70 kJ de energía, respectivamente, con el fin de evitar daños en los CNTs [20]. Con la metodología de dispersión descrita, se lograron buenos índices de dispersión de los CNTs en la matriz polimérica similares a los reportados en [7]; en la Figura 1 se muestran y detallan los equipos usados durante el proceso de dispersión de los CNTs en la matriz polimérica.…”

“…El aumento de las propiedades mecánicas del compuesto se da por varios mecanismos tales como: reducción del tamaño de grano debido al nanotubo de carbono, generación y bloque de dislocaciones en las zonas cercanas al refuerzo y por supuesto, la acción del refuerzo [4], [7], [18], [21]. Según el aumento de las propiedades mecánicas y en especial la dureza, los coeficientes de fricción del sistema metal reforzado-metal muestran un comportamiento similar para cada uno de los materiales estudiados, es decir, sus cambios no son significativos; sin embargo, para la muestra reforzada con 1% en peso encontramos un aumento del coeficiente de fricción lo que evidencia adhesión entre el pin y el disco, esto debido a una deformación plástica sufrida por el disco durante el ensayo [23].…”

“…No obstante, la mayor dificultad en el proceso de manufactura de materiales compuestos reforzados con nanotubos de carbono ha sido su difícil dispersión debido a su tendencia a aglomerarse; aun así, algunos autores han logrado una buena, mas no óptima, dispersión de los nanotubos de carbono a partir de procesos de manufactura tales como: la metalurgia de polvos, procesos de aspersión, electrodeposición, entre otros [4] - [6]. Estudios recientes han reportado una buena alineación y dispersión de los nanotubos de carbono mediante la técnica denominada tipo "sándwich", la cual muestra resultados alentadores en propiedades mecánicas como el esfuerzo último, punto de fluencia y la tenacidad del material, adecuadas para aplicaciones estructurales en ingeniería [7]- [9]. Debido al éxito del proceso de manufactura y al aumento de las propiedades mecánicas de la aleación de magnesio AZ31B reforzada con CNTs, varias aplicaciones del material compuesto son estudiadas; entre estas, destaca el uso del compuesto en prótesis externas, gracias a la alta relación entre resistencia y peso que los compuestos fabricados ofrecen, es decir, a sus altas propiedades específicas.…”

Mori-Tanaka-based statistical methodology to compute the effective Young modulus of polymer matrix nano-composites considering the experimental quantification of nanotubes dispersion and alignment degree

“…In general, CNTs clusters have lower strength, higher porosity and acts as discontinuities, which decrease the mechanical, electrical and thermal properties of the composite; additionally, the well dispersed CNTs into the matrix prevents slippage between CNTs and CNTs/Matrix (Desai & Haque, 2005). There are several techniques to improve the dispersion of CNTs in polymer matrices, such as mechanical dispersion techniques: ultrasonication (Chen et al, 2018;Isaza et al 2018), high shear stress (Noor et al, 2018), calendering process (Vázquez-Moreno et al, 2019), ball-milling (Enqvist et al 2016) stirring (Guo et al 2018) and extrusion (Verma et al, 2015). In agreement with conventional fiber composites, in polymer/CNTs composites, both strength and stiffness properties, as well as functional properties such as electrical, magnetic and optical ones, are directly linked to the alignment of CNTs in the matrix.…”

“…In agreement with conventional fiber composites, in polymer/CNTs composites, both strength and stiffness properties, as well as functional properties such as electrical, magnetic and optical ones, are directly linked to the alignment of CNTs in the matrix. Different methods for aligning CNTs in polymer matrices have been used: ex situ alignment (Feng et al, 2003), force field-induced (Gao et al 2018), magnetic field-induced (Shi et al, 2018), electro-spinninginduced (Huang et al 2003) and mechanical stretching (Isaza et al, 2018).…”