A study of the physical properties of carbon nanofiber reinforced polypropylene composites

Abstract

Los polímeros termoplásticos se conocen, en general, por su amplio uso en extrusión y moldeo, con una gran variedad de aplicaciones tales como envasado, textiles y componentes para la industria automovilística. Un intento de ampliar su rango de aplicación consiste en incorporar partículas nanométricas con propiedades eléctricas y mecánicas intrínsecas, en el interior de la matriz termoplástica. Entre los diversos tipos de cargas, las nanofibras de carbono, CNFs, demuestran un elevado potencial debido a sus propiedades eléctricas y mecánicas similares a los nanotubos de carbono, CNTs, pero a un menor coste. Estas propiedades, junto con la facilidad que presentan para ser incorporadas y dispersas en los polímeros, han aumentado el interés de las CNFs como nuevos materiales capaces de ofrecer soluciones a algunas aplicaciones innovadoras en el ámbito de los materiales compuestos. Las CNFs se pueden producir con diámetros con dimensiones nanométricas, dando lugar a materiales con una razón de longitud/diámetro bastante elevada. En este trabajo se han empleado nanofibras Pyrograf®-III [Applied Sciences Inc. (ASI), Ohio, EUA], procesadas por deposición química de vapor, CVD, y que muestran una morfología parecida a la de vasos apilados. Debido a su elevada área superficial específica, las CNFs tienden a formar agregados que pueden reducir las propiedades de los nanocompuestos en los que se encuentran, especialmente si la dispersión de las mismas no se produce de forma correcta y uniforme. El éxito para la aplicación de las CNFs depende de modo muy directo del conocimiento de los niveles de dispersión de las mismas en las propiedades finales de los nanocompuestos. Teniendo en cuenta este hecho, se ha producido un estudio intensivo de compuestos de base polimérica con CNTs y CNFs, motivado por la importancia de la influencia de algunos factores clave: morfología, dispersión y distribución de las nanofibras en la matriz polimérica, interacción polímero con nanofibra y relación con las propiedades del postprocesado. Con el objetivo de definir de modo claro y sistemático la relación entre procesado, morfología y propiedades finales, es importante identificar primero las ventajas y desventajas de la contribución de cada componente: CNFs, matriz polimérica y el método de procesado, en las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas. Este estudio muestra la introducción de diferentes tipos de nanofibras de carbono en una matriz de polipropileno, PP, procesadas en una extrusora doble husillo. Esta técnica es muy empleada en la industria de transformación de plásticos, lo que permitirá una producción a gran escala, proporcionando así una buena relación entre calidad / precio para este tipo de materiales compuestos. El principal objetivo de este trabajo se centra en la investigación y control del efecto de las diferentes estructuras intrínsecas de las CNFs en las propiedades morfológicas, térmicas, mecánicas, eléctricas, reológicas y electromecánicas de los nanocompuestos de CNFs / PP. Inicialmente, cuatro tipos de CNFs (Pyrograf®-III VGCNFs) fueron sistemáticamente incorporados en la misma matriz de polipropileno a través de extrusión doble husillo y mezclados a tasas de corte relativamente elevadas. A continuación, se caracterizó la relación entre morfología, y las propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas fue caracterizada. La morfología fue analizada por microscopía electrónica de barrido, SEM, y a través de un análisis de la escala de grises, GSA, con base en microscopía óptica de transmisión, LOM. Las propiedades térmicas fueron caracterizadas a través de ensayos termogravimétricos, TGA y de calorimetría diferencial de barrido, DSC. Como resultado de esta caracterización, se correlacionó la evolución de la morfología y la distribución de las CNFs en la matriz polimérica. Posteriormente, se estudiaron y correlacionaron las propiedades reológicas y eléctricas de los nanocompuestos aislantes y conductores con el objetivo de evaluar el análisis reológico como herramienta útil que permita diferenciar comportamientos conductores de aislantes en este tipo de sistemas. Por último, la parte final de este estudio está dedicada a la caracterización de las propiedades electromecánicas de estos compuestos para aplicaciones como materiales transductores. Este estudio establece los contenidos y las estructuras más adecuadas de las CNFs para las propiedades físicas deseadas en nanocompuestos de polipropileno basados en nanofibras de carbono. En particular, los nanocompuestos procesados con CNFs con elevados contenidos de grafito en la pared externa y con tratamientos térmicos de 1500 ºC demuestran tener respuesta eléctrica, mostrando bajos límites de percolación y requisitos próximos a los requeridos por los escudos de protección electromagnética y de radio-frecuencia (EMI / RFI). Por otro lado, los nanocompuestos procesados con las CNFs en las que la pared exterior fue retirada por efecto pirolítico, mostraron poseer un buen comportamiento mecánico, aunque al mismo tiempo demostraron ser aislantes eléctricos, para la misma cantidad de carga en el interior de la matriz de PP. Los análisis termogravimétricos muestran un aumento de la estabilidad térmica de los nanocompuestos poliméricos con el aumento de la concentración de CNFs en la matriz de PP. El análisis por DSC ha mostrado un aumento del grado de cristalinidad con la introducción de las nanofibras de carbono, independientemente del tipo y concentración de CNFs. El grado de dispersión evaluado mediante el uso de LOM y GSA demostró la existencia de una correlación entre la concentración de la carga y la varianza, un parámetro que permite cuantificar la dispersión: cuanto más elevada es la varianza, mejor resultará la dispersión de los aglomerados de CNFs en la matriz polimérica. Se ha detectado una diferencia considerable en las propiedades viscoelásticas entre los nanocompuestos conductores y aislantes. Así mismo las propiedades reológicas permitieron establecer una relación entre la viscosidad y las propiedades eléctricas de los compuestos. Por otro lado, los nanocompuestos conductores de CNFs / PP han mostrado una respuesta piezoresistiva más elevada y por tanto una mayor variación de la resistividad eléctrica en presencia de una acción mecánica externa, a concentraciones próximas al del límite de percolación eléctrica. Por último, se caracterizó la dependencia del factor de Gauge, GF, parámetro asociado con la respuesta piezoresistiva, en función de la deformación mecánica y de la velocidad de deformación, fue caracterizada. De este modo, queda demostrado que los nanocompuestos conductores obtenidos en el ámbito de este estudio, pueden ser utilizados como futuros sensores.