Functionalization of nanocarbons of different dimensionalities and study the physical properties of their nanocomposites with the thermosetting polymer
Date
2024-01
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Institute of Science & Technology
Abstract
The epoxy/nanocarbon (EP/NCs) nanocomposites were prepared by incorporating NCs of different dimensionalities (such as multiwalled carbon nanotubes; MWCNTs (1D), graphite nanoplatelets; GnP (2D) and nanodiamond; ND (0D), aiming at enhancing their physical and electrical properties thus making them useful in various applications. The NCs were functionalized to a different extent and added to the EP matrix. The functionalization of NCs was confirmed by spectroscopic, thermal and diffraction techniques. The prepared nanocomposites were further characterized by different spectroscopic, thermal and microscopic methods. The electrical and surface wetting properties of those materials were discussed in correlation to their morphologies. The chemical modifications of the NCs were confirmed by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and Raman spectroscopy showing different oxygen containing functional and increased intensity ratio of D and G band value indicating a high degree of graphitization. The increase in interlayer distance was observed after the acid treatment and the thermal degradation of the acid-treated nanocarbons occurred at lower temperatures also evidencing their successful functionalization. The structural and morphological analysis of the nanocomposites confirmed that there was an effective dispersion between the NCs and epoxy (EP) matrix. In addition to this the hydroxyl functional group was also observed in the case of the acid-treated samples of CNTs, microscopic investigations displayed the brittle nature of the neat epoxy and the addition of nanocarbons on epoxy prevented cracks from propagating, increased the area of the fractured surface and provided a high resistance to fracture. The well-dispersed and cluster-free dispersion of CNTs in the EP/pCNT nanocomposite was observed and the pull-out of the CNTs was also witnessed in the epoxy nanocomposites with pristine CNTs. The thermal stability of EP/NCs composites containing separately pristine and acid-treated nanocarbons was improved slightly in the range of 5-13 ℃. The resistivity of EP/pCNT nanocomposites was found to be decreased as high as about 40 times compared to acid-treated nanocomposites. The higher resistivity of Ep/mCNT was attributed to the shortening of CNT length thereby altering its aspect ratio on acid treatment. On the contrary, acid-treated graphite showed as high as about 35 times decrease in resistivity than that of the pristine graphite because of the well dispersion of graphite particles on the EP matrix. However, in terms of surface wetting properties surface modification of NCs enhances hydrophilicity and wettability of EP/NCs nanocomposites
प्रस्तुत अनुसन्धान कार्यमा मुलत: विभिन्न आयामिकतायुक्त नानोकार्बनहरु (जस्तै एक आयामिक कार्बन नानोट्यूब, द्वैआयामिक ग्राफाइट नानोप्लेटलेट तथा सुन्यआयामिक नानोडायमंड) लाई एपोक्सी रेजिन नामक थर्मोसेटिङ् पोलिमरसँग बिभिन्न अनुपातमा मिलाएर नानोकम्पोजिटका नमुनाहरु तयार गरि तिनिहरुको भौतिक एवं विद्युतीय लक्षणहरु जस्ता व्यवहारोपयोगी गुणहरुको अध्ययन प्रसतुत गरिएको छ। यसका लागि प्रत्येक नानोकार्बनको सतहमा उपयुक्त विधिद्वारा विभिन्न परिमाणमा रासायनिक क्रियाशिलताको उद्भब गराई त्यासलाई एपोक्सी रेजिन भित्र समानरुपले घुलाइएको थियो। नानोकार्बनको सतहमा आरोपित रासायनिक क्रियाशिलताको पुष्टिका खातिर प्रकाशपटिय (Spectroscopy), तापिय (Thermal) तथा विवर्तन (Diffraction) विधिहरूको सहयोग लिइएको थियो। अनुसन्धान कार्यका दौरान तयार पारिएका नानोकम्पोजिटहरूका विभिन्न गुणहरूको अवलोकनार्थ पनि प्रकाशपटिय, तापिय, विवर्तन तथा सुक्ष्मदर्शक यन्त्रिय विधिहरूको प्रयोग गरिएको थियो। साथै आन्तरिक शुक्ष्म वनोटको आधारमा ति बस्तुहरुका विद्युतीय एवं सतह संबन्धित गुणहरूको व्याख्या गरिएको थियो। नानोकार्बनहरुको सतहमा रासायानिक परिवर्तन भए नभएको फोरिएर ट्रान्स्फर्म ईन्फ्रारेड (FTIR) तथा रमण स्पेक्ट्रोस्कोपीद्वारा निधो गरिएको थियो। त्यसवाट क्रमशः नानोकणिकाको सतहमा विभिन्न अक्सिजनयुक्त प्रतिक्रियात्मक समुहहरु जोडीएका तथा डि (D) र जी (G) ब्याण्डको तिव्रताको अनुपात (जसलाई नानोकणिकाको ग्राफाईटमा रुपान्तरण भएको सुचकको रुपमा लिइन्छ) पनि केही हदसम्म बढेको पाईयो । अम्लसंगको संसर्गपछि नानोकणिकाका आपसि तहहरु विचको दूरीमा वृद्धि भएको तथा तिनिहरुको उच्च तापक्रममा तताउंदा तौल ह्रास हुने तापमानमा पनि गिरावट आएकोवाट ति कणको सतहमा प्रतिक्रियात्माक समुहहरु जोड्ने कार्य सफल भएको निर्क्यौल गरिएको थियो। नानोकम्पोजिटहरूको संरचनात्मक र रुपात्मक विश्लेषण गर्दा एपोक्सि रेजिन थर्मोसेटीङ्ग पोलिमर र नानोकणिकाहरु बीच प्रभावकारी अन्तरवन्धन (intertwine) भएको पुष्टी भयो । यसका साथै नानोकणिकाहरुको अम्लसंग प्रतिकृया गरेपस्चात तिनिहरुको सतहमा हाइड्रोक्सिल समूहहरु पनि जोडीएका तथा सुक्ष्मदर्शक यन्त्रद्वारा गरिएको अध्ययनले विसुध्द एपोक्सि रेजिनले ब्रिटल प्रकृति देखाए पनि नानोकार्वन पोलिमरसंग मिसाए पश्चात यिनीहरुले यान्त्रिक वलद्वारा उत्पन्न हुन सक्ने शुक्ष्मदरार (Microcrack) लाई रोक्ने तथा शक्ति शोषक सतहको क्षेत्रफल बढाएर उक्त पदार्थको तात्कालिक बिघटनलाई प्रतिरोध गर्ने क्षमतालाई समेत बढाएको पाईयो। एक आयामिक नानोकार्वन, कार्बन नानोट्यूब, को पोलिमरको भित्रि आयतनसम्म राम्रोसंग फैलावट भएको तथ्य त्यसको एपोक्सि रेजिनसंगको मिश्रणको शुक्ष्म अध्ययनमा राम्रोसँग देख्न पाईन्छ। साथै शुद्ध अवस्था र अम्लसँग प्रतिक्रिया पस्चात प्राप्त भएको नानोकार्वन प्रयोग गरी तयार गरिएका नानोकम्पोजिटहरूको थर्मल स्थिरतामा ५-१३ ℃ तापक्रमले वृद्धि भएको पाइयो। शुद्ध नानोकार्बन प्रयोग गरी बनाइएको नानोकम्पोजिटहरूको विद्युतीय प्रतिरोधात्मकता अम्लसँग प्रतिक्रिया पश्चात प्राप्त भएको भन्दा लगभग ४० गुणाले कम भएको पाइयो। प्राप्त नतिजाहरुको विश्लेषणबाट यो निस्कर्षमा पुगिन्छ कि नानोकार्वनको अम्लसँग प्रतिक्रिया गराउँदा यीनिहरुको वनोटलाई खन्डित भई आस्पेक्ट अनुपात परिवर्तन हुन्छ र कम्पोजिटको विद्युतीय गुणमा नकारात्मक असर गर्दछ। यसको विपरीत अम्लसँग प्रतिक्रिया गरेका द्वैआयामिक नानोकार्वन (जस्तै ग्राफाइट नानोप्लेटलेट) एपोक्सि रेजिनसंग राम्रोसँग फैलिएर बनेको हुनाले नानोकम्पोजिटको विद्युतीय प्रतिरोधात्मकता शुद्ध अवस्थाको नानोकार्वन भएको नानोकम्पोजिटको तुलनामा लगभग ३५ गुणाले कम भएको देखियो। नानोकम्पोजिटहरूले आफ्नो सतहमा जलाकर्षण गर्ने गुणहरुलाई केलाउने क्रममा भने रासायानिक रुपमा परिमार्जीत तीनै प्रकारका सूक्ष्म कणहरुले सकारात्मक भूमिका खेलेको पाईयो।
Description
Keywords
Nanocarbon, Functionalization, Morphology, Resistivity, Wettability