Effect of graphene nanoplatelets on the physicochemical properties of high-density polyethylene nanocomposites

Abstract

Recently, there has been a growing interest in nanocomposites applied in thermally conductive polymeric materials. Polymers that are highly conductive and electrochemically active have been focused on some promising applications such as solar cells, sensors, energy storage devices, and pipes. Polyethylene (PE) is a low-cost semi-crystalline polymer that shows good thermal and mechanical properties and high chemical resistance. Therefore, it can be used effectively in various applications such as automotive, films, cable jacketing, bottles, tubes, and pipes. In certain areas, PE use is limited by its own mechanical and gas barrier properties, poor heat resistance, and low thermal and electrical conductivities, among others. Carbon-based nanomaterials, such as graphene oxide (GO) and graphene nanoplatelets (GNPs), have been proposed as the next generation multifunctional nanofiller for the improvement in matrices because of their high mechanical, thermal, and gas barrier properties. GO is an oxidized graphene derivative, which can be widely used as an alternative or precursor for graphene materials due to its high dispersibility, processability in an aqueous environment, low cost, and widespread ability to convert to graphene. It is produced from graphite flakes by the thermal oxidation method invented by Hummer’s and modified by successors. GNPs are small stacks of multiple graphene sheets, typically derived from bulk graphite compounds. GNPs were proposed as a lower-cost alternative compared to carbon nanotubes and single-layer graphene, offering conductivity at a very low filler content, strengthening, and toughening that cannot be achieved using carbon black. The first objective of this thesis is to synthesize GO from graphite by using the modified Hummer’s method. Characterization of GO was studied by using XRD, XPS, FTIR, UV-Vis spectroscopy, RAMAN, TGA, SEM, and TEM. The second objective of this thesis is to prepare HDPE/GNPs nanocomposites filled with different diameter sizes (5, 15, and 25 μm) of GNPs at various amounts (0.5-5 wt.%) by the melt-mixing method. The effect of diameter size and filler content on morphological, structural, thermal, and mechanical properties is reported. This thesis aims to measure, understand, model, and predict the influence of realistic processing conditions on the thermal and mechanical properties of the HDPE matrix. For this reason, several advanced experimental techniques were employed.Α detailed structural and morphological study of GNPs into the HDPE matrix (ex. crystallinity, interaction, dispersion) was performed by using X-ray Diffraction (XRD), Raman spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Polarized Light Microscopy (PLM). To achieve a better comprehensiveness of the structure of the HDPE/GNPs nanocomposites, the relative crystallinity was calculated by using the above-mentioned techniques (XRD, FTIR, Raman, and DSC). Crystallization and melting of HDPE/GNPs nanocomposites in non-isothermal conditions were studied at several cooling rates by using conventional differential scanning calorimetry (DSC) and Fast Scanning Calorimetry (FSC). The primary and secondary crystallization kinetics of HDPE was characterized as a function of cooling rate. The approach to describe primary crystallization is based on temperature-dependent nucleation and growth of spherulites governed by an Avrami-type equation. An isoconversional technique was used to evaluate the apparent activation energy of the nanocomposites during the crystallization process far from thermodynamic equilibrium. The FSC has been completed by in-depth Temperate Modulated DSC analysis (TM-DSC) of the multiple melting peaks appeared. The effect of GNPs diameter on the thermal stability and kinetics mechanism of the HDPE matrix was studied by Thermogravimetric Analysis (TGA). An in-depth analysis of the thermal degradation kinetics of all the prepared HDPE/GNPs was carried out. To calculate the activation energies, Isoconversional, and model-fitting procedures were followed. Py-GC/MS was employed on the HDPE/GNPs nanocomposites to understand the decomposition mechanism in depth, detect each one of the fragments coming from each macromolecule and correlate the collected data with the decomposition mechanism. The influence of GNPs with different diameters on the thermal conductivity was systematically investigated at different concentrations values. The effectiveness of the selected micromechanical models on predicting the thermal conductivity of nanocomposites was examined, too. A comprehensive analysis of GNPs size in the thermomechanical properties of the HDPE nanocomposites such as storage/loss modulus and viscosity were explored. The mechanical properties of HDPE/GNPs nanocomposites were characterized by tensile tests. Various micromechanical models were tested and compared with experimental results, considering the dispersed and agglomerated GNPs in the HDPE matrix and the effect of the percolation threshold. Finally, SEM was used to observe the fracture surfaces of the composites after tensile tests.

Τελευταία, υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τα νανοσύνθετα που εφαρμόζονται σε θερμικά αγώγιμα πολυμερικά υλικά. Τα πολυμερή που είναι πολύ αγώγιμα και ηλεκτροχημικά ενεργά έχουν επικεντρωθεί σε ορισμένες ελπιδοφόρες εφαρμογές όπως ηλιακά στοιχεία, αισθητήρες, συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και σωλήνες.Το πολυαιθυλένιο (PE) είναι ένα ημι-κρυσταλλικό πολυμερές χαμηλού κόστους που παρουσιάζει καλές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες, καθώς και υψηλή χημική αντοχή. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτοκινητοβιομηχανία, σωλήνες, μπουκάλια, καλωδιακά καλύμματα και σωλήνες. Σε ορισμένες περιοχές, η χρήση PE περιορίζεται λόγω των χαμηλών μηχανικών του ιδιοτήτων και ιδιοτήτων φραγής αερίου, της χαμηλής αντοχής στη θερμότητα και των χαμηλών τιμών θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας, μεταξύ άλλων. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα, όπως το οξείδιο του γραφενίου (GO) και τα νανοφυλλίδια του γραφενίου (GNPs), έχουν προταθεί ως πολυλειτουργικά νανοπληρωτικά επόμενης γενιάς για τη βελτίωση των πολυμερικών μητρών λόγω των εξαιρετικών μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων, καθώς και των ιδιοτήτων φραγμού αερίου. Το GO είναι ένα οξειδωμένο παράγωγο γραφενίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως ως εναλλακτική ή πρόδρομη ουσία γραφενίου λόγω της υψηλής διασποράς, της επεξεργασιμότητας σε υδατικό περιβάλλον, του χαμηλού κόστους, της εύκολης σύνθεσης και της ευρείας δυνατότητας μετατροπής του σε γραφένιο. Παράγεται από νιφάδες γραφίτη με τη μέθοδο της θερμικής οξείδωσης που εφευρέθηκε από τον Hummer και τροποποιήθηκε από τους διαδόχους. Τα GNPs είναι μικρές στοίβες πολλαπλών φύλλων γραφενίου, που συνήθως προέρχονται από ενώσεις γραφίτη. Τα GNPs έχουν προταθεί ως επιλογή χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τους νανοσωλήνες άνθρακα και το μονό στρώμα γραφενίου, παρέχοντας αγωγιμότητα σε πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σωματιδίων. Επίσης, παρέχουν ενίσχυση που δεν μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μαύρου άνθρακα. Ο πρώτος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση GO από τον γραφίτη χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Hummer. Ο χαρακτηρισμός του GO επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τις μεθόδους XRD, XPS, FTIR, UV-Vis φασματοσκοπία, RAMAN, TGA, SEM και TEM. Ο δεύτερος στόχος αυτής της διατριβής είναι η σύνθεση νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE/GNPs ενισχυμένων με διαφορετικά μεγέθη διαμέτρου (5, 15 και 25 μm) σε διάφορες συγκεντρώσεις (0,5-5% κ.β.) με τη μέθοδο της ανάμιξης τήγματος. Αναφέρεται η επίδραση του μεγέθους της διαμέτρου και της συγκέντρωσης των πληρωτικών στις μορφολογικές, δομικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών. Αυτή η διατριβή στοχεύει στη μέτρηση, κατανόηση, μοντελοποίηση και πρόβλεψη της επίδρασης ρεαλιστικών συνθηκών επεξεργασίας στις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της πολυμερικής μήτρας του HDPE. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν προηγμένες πειραματικές τεχνικές. Έτσι, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής δομική και μορφολογική μελέτη των GNPs στη μήτρα του HDPE (π.χ. κρυσταλλικότητα, αλληλεπίδραση, διασπορά) συνδυάζοντας Περίθλαση Ακτίνων-Χ (XRD), Φασματοσκοπία Raman, Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνω-X (XPS), Φασματοσκοπία Υπερύθρων με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Πολωτικό Οπτικό Μικροσκόπιο (PLM), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (ΤΕΜ) και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM). Για να επιτευχθεί καλύτερη πληρότητα σχετικά με τη δομή των νανοσύνθετων HDPE/ GNPs, η σχετική κρυσταλλικότητα υπολογίστηκε και συγκρίθηκε χρησιμοποιώντας κάποιες από τις προαναφερθείσες τεχνικές (XRD, FTIR, Raman και DSC). Η κρυστάλλωση και η τήξη των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE /GNPs σε μη ισόθερμες συνθήκες μελετήθηκε σε διάφορους ρυθμούς ψύξης χρησιμοποιώντας τη συμβατική Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC), καθώς και τη Διαφορική Θερμιδομετρία Πολύ Γρήγορης Σάρωσης (FSC). Η πρωτογενής και δευτερογενής κινητική κρυστάλλωσης των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών HDPE/GNPs χαρακτηρίστηκαν ως συνάρτηση του ρυθμού ψύξης. Η προσέγγιση για την περιγραφή πρωτογενούς κρυστάλλωσης βασίζεται σε εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία πυρήνωση και ανάπτυξη σφαιριδίων που διέπονται από εξίσωση τύπου Avrami. Εξετάστηκε μια ισομετατροπική τεχνική για την αξιολόγηση της ενέργειας ενεργοποίησης των νανοσύνθετων κατά τη διαδικασία κρυστάλλωσης μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία. Η FSC ολοκληρώθηκε με μια σε βάθος ανάλυση των πολλαπλών κορυφών τήξης χρησιμοποιώντας την τεχνική της Διαμορφωμένης Θερμοκρασίας DSC (TM-DSC). Παρουσιάστηκε η επίδραση της διαμέτρου των GNPs στη θερμική σταθερότητα και τον μηχανισμό κινητικής των νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών του HDPE χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Θερμοσταθμικής Ανάλυσης (TGA). Πραγματοποιήθηκε διεξοδική μελέτη για την κινητική θερμικής αποικοδόμησης σε όλα τα προετοιμασμένα δείγματα και ακολουθήθηκαν διαδικασίες προσαρμογής μοντέλου για τον υπολογισμό των ενεργειών ενεργοποίησης. Προκειμένου να κατανοηθεί σε βάθος ο μηχανισμός αποσύνθεσης, χρησιμοποιήθηκε η Πυρολυτική Αέρια Χρωματογραφίας- Φασματοσκοπία Μάζας (Py-GC/MS) στα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά HDPE/GNPs έτσι ώστε να ανιχνευθεί κάθε ένα από τα θραύσματα που προέρχονται από κάθε μακρομόριο και να συσχετιστούν τα συλλεγόμενα δεδομένα με τον μηχανισμό αποσύνθεσης. Η επίδραση των GNPs με διαφορετικές διαμέτρου στη θερμική αγωγιμότητα, διερευνήθηκε συστηματικά σε όλες τις τιμές των συγκεντρώσεων. Επίσης, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα των επιλεγμένων μικρομηχανικών μοντέλων στην πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας των νανοσύνθετων υλικών. Διερευνήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση του μεγέθους των GNPs στις θερμομηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων, π.χ. μέτρο αποθήκευσης, συντελεστής απόσβεσης και ιξώδες. Οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων HDPE/GNPs χαρακτηρίστηκαν από δοκιμές εφελκυσμού. Δοκιμάστηκαν διάφορα μικρομηχανικά μοντέλα και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα λαμβάνοντας υπόψη τα διεσπαρμένα και συσσωματωμένα GNPs στη μήτρα HDPE, καθώς και την επίδραση του μηχανικού κατωφλίου αγωγιμότητας. Τέλος, SEM χρησιμοποιήθηκε για να παρατηρηθούν οι επιφάνειες θραύσης των νανοσύνθετων μετά από δοκιμές εφελκυσμού.