JP6745288B2 - グラフェン強化ポリエチレンテレフタレート - Google Patents
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Description
ナノ強化材は、一般的に、それらの形状に基づいて3つの異なる群、すなわち:ナノ粒子、ナノチューブおよびナノプレートレットにカテゴリー化される。ナノ強化材は、大型の強化材よりも有利である。マトリックスの強化において、大きい粒子と比較して、粒子が小さいほど、粒子が強固になり、有効になることは認識されているはずである。別の利点は、単位体積として利用できる表面積である。球形粒子のケースでは、例えば、表面積対体積の比は、粒子の半径に反比例する。図2は、ミクロスケールからナノスケールの大きさに及ぶ、様々なタイプの強化材の界面における増大を示す図である。図2で指し示されているように、単位面積当たりの利用できる表面エネルギーは、ナノ粒子に対して高くなると考えられ、それにより、ナノ粒子は化学的に活性になる。
炭素は、特有のハイブリダイゼーション性、および構造を操作できる能力を備える、興味深い周期表元素である。炭素は普通、グラファイト、非晶質炭素およびダイヤモンドの形態で、いくつかの産業およびプロセスに応用される。ナノスケールでは、図4で示されているように、フラーレン、カーボンナノチューブ(CNT)およびグラフェンのような特有の性質および構造を示す炭素材料も興味深い。
コンポジットの製造は、最終製品の大きさおよび用途に基づいて利用できるいくつかのプロセスを用いて、広範に研究されている分野である。ナノコンポジットの加工は、ナノ強化材を分散させるためのプロセス、および意図されている最終用途のための形成プロセスを伴う。ナノコンポジットの実行可能性は、コスト、ナノ粒子の可用性および適切な製造プロセスに大幅に左右される。射出および圧縮成形、交互積層(LBL)製造、in−situマイクロエマルション重合およびスピニングのような製造技術は、ポリマーナノコンポジットに使用されている。認識されるように、製造プロセスの選択は、マトリックス樹脂および使用されるナノ粒子の種類に左右される。射出成形は、速度、拡張性および幅広い材料への耐性ゆえに、すべてのプラスチック加工技術の中でも最も重要なものであることが、さらに理解されるはずである。ポリマー中におけるナノ強化材の均一な分散を達成するために試行された方法は、以下のセクションで論じられている。
ナノ強化材の均一および均質な分散、または「剥がれた」状態を達成することは、正しいポリマーナノコンポジットのために不可欠である。ナノ材料は、単位面積当たりで高い表面エネルギーを備えるので、凝集体を形成して、その結果このエネルギーは最小化される傾向がある。この凝集する傾向により、ナノ材料の有効なナノスケール寸法を維持し、ナノ材料をポリマーマトリックス中に分散させることは困難になる。ナノ強化材の溶融したポリマー中への分散は、溶融物の粘度、強化材の湿潤性、凝集体の破損を含む混合プロセスにより付与されるエネルギー、および混合プロセスの効率のような要因に左右される。分散の方法は、機械的基準として、および化学的基準として、大まかにカテゴリー化できる。いくつかの分散の方法は、溶融配合、マスターバッチ加工、超音波配合、カオス的移流混和、固体状態せん断微粉化(SSSP)、固体状態ボールミル粉砕(SSBM)および音響混合のような機械的基準としてのカテゴリーの下で調査されている。これらの分散の方法は、「溶融混合」または「固体状態混合」としてさらにカテゴリー化され得る。
先に明記されているように、PETナノコンポジットでは、性質を改善し、新たな用途を拡大する目的が追求され続けている。現在、他のナノ材料は、既に使用されており、PETの重合において分散される。例えば、図5で示されているように、平均直径400nmを有するカーボンブラックナノ粒子は、PETの熱吸収能力を改善するために、6ppm、すなわち0.0006%で使用される。カーボンブラックの分散は、in−situ重合により達成され、この6ppmという低荷重でさえ、エネルギーが節約される。より顕著な重量分率でのin−situアプローチによるナノコンポジットの調製を調査することは、このアプローチの有効性を理解するのに役立ち得る。
一部の実施形態では、分子量Mw−84,100g/mol(0.81dl/gの固有粘度(I.V.))の市販のPETが、ペレットの形態で得られる。一般に認められているように、PETペレットは半結晶性であり、これらは、示差走査熱量測定(DSC)により検証できる。認識されるように、PETは、吸湿性であり、ポリマー溶融物に湿気が存在すると、分子鎖切断(エステル結合の加水分解)により分子量の損失を引き起こす。したがって、PETは、有利には、各プロセスの前に、ポリマー分解を最小限にするように170℃にて4−6時間乾燥され得る。
一部の実施形態では、二軸スクリューおよび超音波二軸スクリュープロセスでPET−グラフェンマスターバッチを配合することにより、凝集体を形成させることなく、グラフェンナノプレートレットは、PETマトリックス中に分散させることができる。一実施形態において、グラフェンナノプレートレット(GNP)およびPET樹脂は、同方向回転スクリューを有するKrauss Maffei ZE−25 UTX押出試験機を使用して、PET−xGnP マスターバッチペレット中に配合された。このプロセスを使用して、2%、5%、10%および15%重量分率で、マスターバッチペレットの別々のセット2つを配合した。各セットにおいて、重量分率のそれぞれに対して、5.4kg(12lb)のマスターバッチを調製した。
一部の実施形態では、in−situ重合は、ポリマーナノコンポジットの調製に用いられ得る。認識されるように、in−situ重合は、一般的に、2つのステップを含む。最初のステップは、適合性のあるポリマー前駆体または溶媒を使用して、ナノスケール強化材を溶液相にインターカレートするステップを含む。第2のステップでは、ナノプレートレットでインターカレートされた溶液を使用して、重合に取り組む。ナノプレートレットを、化学的に適合性があり、且つ粘度が低い材料に分散させることは、高度に粘性のあるポリマー溶融物と直接混合することと比較して、より効率的と考えられる。
一部の実施形態では、ナノコンポジットのマスターバッチは、マイクロ構造、機械的および熱特性の調査を促進するように、ナノプレートレットの別々の最終的な荷重分画に射出成形され得る。一実施形態では、油冷成形機、水冷成形機およびマイクロ射出成形機を含む3つの異なる射出成形圧縮機を使用した。上記の配合プロセスから得られた、PET−グラフェンナノプレートレットのマスターバッチは、様々な荷重分率でナノコンポジットの成形に使用した。油冷射出成形ユニットは、マスターバッチ(配合されたペレットは純粋PETを使用して、グラフェン濃度を希釈せずに射出成形した。)から、GNP重量分率が2%、5%、10%および15%のナノコンポジットの成形に使用した。260℃から280℃の範囲のバレル温度で、引張試験片を成形した。ASTM D 638 タイプI仕様に従って、標準引張試験片金型を使用した。
射出成形によるポリマー加工は、バレル温度、射出圧力、保圧および背圧、充填時間、冷却時間などを含むいくつかの可変要素に左右される。認識されるように、これらの可変要素すべての釣り合いをとることは、部品の結晶化度、およびボイドのような欠損をなくすために必要である。各プロセスの実行開始時に、基本の材料でバレルをフラッシュして、以前の試験から残留したいかなる材料も除去する。基本の材料の内でフラッシュすることにより、公知の条件を用いて加工の開始が可能となり、バレルを占めるPET−マスターバッチ混合物としてそれらの最適化が可能となることは認識されるはずである。
一部の実施形態では、引張試料は、PETの機械的性質に対する超音波処理の効果を検査する目的でマイクロ射出システムを使用して調製され得、希釈を伴わない、超音波によるグラフェン分散体からの改善を評価する。一実施形態では、引張試料は、図18(a)−(b)で示されているように、5cc小型配合ユニットと組み合わせた、5.5cc容量のマイクロ射出成形ユニットを使用して調製された。図19(a)で示されている金型を含む図18(a)−(b)のマイクロ射出成形ユニットは、図19(b)で示されている引張試験片の調製に使用された。同方向回転二軸スクリューを装備した小型配合ユニットを使用して、ペレットを溶融し、本明細書に記載されている均質な溶融混合物を得た。図18(b)で示されている切換装置を使用して、ポリマーまたはナノコンポジット溶融物を、配合機から射出成形機に移した。射出成形機は、高圧空気(13.8bar)につなげられたプランジャーにより、ポリマー材料を円錐状金型中へと射出した。認識されるように、マイクロ射出システムは、金型温度、射出圧力、保圧、射出時間および保持時間を制御する。
射出成形されたナノコンポジットの間の密度の比較は、加工欠損(例えばボイド)による試料における差の識別に役立つと考えられる。相対密度は、以下の等式を使用してアルキメデスの原理に基づいて判定できる:
ηr=t/t0(3)
η=0.25(ηr−1+3lnηr)/C(4)
式中、ηrは相対粘度であり、tは平均溶液流れ時間であり、t0は平均溶媒流れ時間であり、ηは固有粘度(dL/g)であり、Cはポリマー溶液濃度(g/dL)である。
[η]=KMα(5)
式中、ηはポリマー固有粘度(dL/g)であり、Mは平均分子量(g/mol)であり、「K」および「α」はMark−Houwink定数である。一方、重量平均分子量を使用して、「K」および「α」は、それぞれ0.00047および0.68と解釈される。
認識されるように、ナノコンポジットを画像化することは、ポリマー性質の改善におけるナノ粒子の役割を理解するために必須事項である。ナノ強化材は、ポリマーマトリックスとのかなりの程度の、起こり得る相互作用のために有利と考えられる。したがって、分散のレベルに左右される相互作用の程度を視覚化することが必要である。さらに、実際のマイクロ構造の情報は、ナノコンポジットの挙動をモデル化するために有益であり、工学的材料において役立つ。電子顕微鏡法およびX線回折は、分散の研究に使用される最も普通の技術である。これらの技術のいずれも、互いに裏付けとして使用されることが多い。
t=λdVv(Af+2)/[2(1−Vv)Af](11)
式中、Vvはナノプレートレットの体積分率であり、Afはナノプレートレットのアスペクト比であり、tはナノプレートレットの厚さであり、λdは粒子間距離である。
I=I0e−μmpx(13)
式中、Iは透過X線強度であり、I0は最初のX線強度であり、μmは材料の質量減衰係数であり、ρは材料密度であり、xは材料の厚さである。レントゲン写真は、フーリエ変換に基づくアルゴリズムを使用して、断面スライス(トモグラフ)に再構成されている。X線および検出光学器分野の開発により、かなり狭い面積でもビームを集束できるようになり、それにより、ナノスケールの解像を実現した。
連続した繊維コンポジットは、「複合則」と呼ばれる単純な実験式に基づいて、設計される、または評価されることが多い。ナノ強化材のケースでは、複合則は、最終的な性質の予測は困難である。これらは連続した繊維強化材ではないということと併せて、この差は、少ない体積分率により影響を受け、マトリックスおよび強化材の間の性質の有意な不均衡、ならびにアスペクト比である。ナノコンポジットに関しては、ナノプレートレットおよびマトリックスの間の空間的な相互作用は、弾性挙動の測定に重要である。マトリックス−強化材界面での相互作用と組み合わせたナノプレートレットの高いアスペクト比は、ナノコンポジットの性質の評価を複雑にする。したがって、昔からのマイクロ機械モデルは、ナノ粒子の機械的性質を評価するように改変されている。
PETの性質を改善する目的で、グラフェンナノプレートレットとPETを配合し、特定の荷重速度のナノコンポジット中に射出成形した。このプロセスから得られたナノコンポジットを、グラフェンナノプレートレットの有効性を理解するために、機械的、熱的およびレオロジー性質について評価した。
平均分子量は、以下の試料に関しては、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)から得た:対照PET、超音波処理したPET、超音波処理したナノコンポジットマスターバッチ(5%GNP)およびGNP重量分率が5%の、二軸スクリューで配合されたマスターバッチ。GNP重量分率が類似したマスターバッチを比較すると、グラフェンが存在するために発生した変化の理解に役立つ可能性がある。
固有粘度(I.V.)は、ポリエチレンテレフタレートの性質を比較する考察に関して、最も一般的に表される数である。したがって、図27で示されているPETおよび超音波処理したPET試料の固有粘度は、溶媒に溶解したポリマーを使用して、毛細管粘度計により得た。
引張試験片試料に対する応力−歪み曲線は、図30で提示されている。ヤング率は、応力−歪み曲線の最初の領域から得られた。ナノコンポジット引張試験片(セットA)のヤング率および強度データが、図31で提示されている。対照PETと比較した場合、ナノコンポジットの強度の低下が観察された。さらに、ナノコンポジットは、脆性破壊をきたし、対照PET試料と比較して伸びがなかった。
アルキメデスの原理を使用して、ナノコンポジットの密度を測定した。ナノコンポジットの密度は、非晶質PETおよびグラフェンに基づいて評価された理論値とは異なる。成形されたPETの引張試験片および引張チューブの間の密度の比較は、等式2に基づいて、引張試験片が半結晶性(結晶化度19%)であることを指し示す。ナノコンポジット試料からの密度の測定は、複合則に基づき、理論値から逸脱している。図39(a)−(c)で提示されているように、ナノコンポジットの強度の比較をより良好にするために、試験する前に試料に対する密度を収集し、比強度を評価するために使用した。図39(a)−(c)で提示されている比強度値は、GNPを有するPETの強度の有意な損失を示さない、すなわち改善を示すまたは、GNP重量分率が2%のナノコンポジット引張チューブを除いて、改善を示さない。
ナノコンポジットとPETの応力−歪み曲線の比較は、ナノコンポジット引張試験片の破壊歪み(伸び)が減少したことを示す。ナノコンポジットの破壊のタイプおよび理屈を理解するために、走査電子顕微鏡写真を収集した。破断面の顕微鏡写真は、図40(a)および40(b)で示されているように、マイクロボイドが存在していることを示す。ペレットに存在する湿気により、加工中にボイドが生じることがある。したがって、ボイド付近の応力集中の増加は、ナノコンポジット引張試験片の強度の減少に寄与した。破断面顕微鏡写真の図40(b)で示されているように、ボイドからの亀裂の開始点により、この観察が確認される。
ボイドを画像化するための非破壊代替法は、超音波画像化である。超音波「バルクスキャン」からの引張試験片の超音波顕微鏡写真は、図43で示されている。これらの顕微鏡写真は、引張試験片の長さに沿ってボイドが存在することを示す。顕微鏡写真に基づいて、ボイドは加工によるものであると推測される。さらに、超音波画像化試料の密度を、機械的試験と比較して、密度の偏りはボイドが存在することによると確認した。
ナノコンポジットの溶融および結晶化挙動をDSC測定により分析した。図44は、二軸スクリュー配合したペレットのGNP重量分率に対してプロットした、第2の加熱サイクルからのガラス転移(Tg)および溶融温度(Tm)ならびに、第1の冷却サイクルからの結晶化温度(Tc)を提示している。溶融温度は、GNPの増加に応じてより高い値にシフトしたが、ガラス転移は、15%の重量分率を除いて、低下傾向を示した。図44で示されているガラス転移温度の低下は、PETマトリックスの内側のナノプレートレットが凝集するためであり得る。凝集したプレートレットは、可塑剤として作用し、ガラス転移温度に影響を与え得る。
PETにおけるナノプレートレットの分散の程度を理解するために、ナノコンポジットの溶融レオロジーを研究した。二軸スクリュー配合によるナノコンポジットペレットの、対照PETと併せた動的周波数掃引は、図51で提示されている。PETのせん断貯蔵弾性率(G’)は、周波数に対して直線的に低下した。PETにグラフェンナノプレートレットを添加することにより、係数(G’)が改善した。PET−2%GNPナノコンポジットペレットのケースでは、係数(G’)は、線形領域(依存)から0.3rad/秒未満のプラトー(角周波数に依存しない)に転移した。5%ナノコンポジットに対するこの転移点は、64rad/秒の周波数まで移動した。GNP重量分率が10%および15%のナノコンポジットは、1.6mmの間隔(平行プレートの間の溶融物の厚さ)で320℃にて試験した場合でさえ、剛体挙動を呈した。図52に図示されているように、二軸スクリューで配合されたPET−GNPナノコンポジットに対する浸透限界(φper)は、2%および5%試料で0.1rad/秒のG’値の線形回帰に基づいて、1.75重量%(1.1体積%)と判定された。浸透限界でのナノプレートレットアスペクト比は、等式(8)に基づいて40と評価された。
単一層グラフェンは、高強度および剛性について公知である。それにも関わらず、ここでは、グラフェンナノプレートレットのみを単一層グラフェンに分散させることが実現しなかった。混合物の分画の一部は、単一層の傾向があるが、大多数はそうではなかった。多層グラフェンにおける研究は、層の数が10未満である場合は、性質は、単一層のものと同様のものであることを示していた。数層を超えるナノプレートレットのケースでは、機械的な挙動はグラファイトフレークと同様であると見出された。この理由としては、高度に配向されているグラファイトと同様に、グラフェンナノプレートレットの係数が0.795TPaであることが考えられる。
ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットナノコンポジットを、射出成形により調製した。二軸配合および超音波二軸スクリュー配合からのマスターバッチペレットは、機械的性質および熱的性質に特徴付けられる。この章では、PET性質に対する超音波の効果、グラフェンおよびPETの間の相互作用のタイプ、性質の変化に隠れた機構、配合および射出成形の効果、ならびにナノコンポジットの評価におけるマイクロ機械モデルの適用可能性が論じられている。
現行の研究には、超音波押出を使用して、グラフェンナノプレートレットをPETマトリックス中に分散させた。超音波のPETに対する効果を理解するために利用できる文献はないので、ここでは超音波処理したPETも分析した。超音波押出中、ポリマーに適用されたエネルギー(超音波の形態で)は、音響キャビテーションの結果として、溶融温度を局所的に上昇させ得る。キャビテーションは、ナノプレートレットの剥がれを促すだけではなく、ポリマーを潜在的に変化させることもできる。超音波処理したPETにおけるGPC測定からの平均分子量は、超音波振幅の増加に応じて分子量が低下したことを指し示す。
ナノ強化材の選択において、ポリマーとの適合性は、重要な要因の1つである。2つのポリマーは、表面エネルギーの差が少ない場合、適合性(または混和性であって均質な混合物を形成する。)と考えられる。表面エネルギーの差の増加は、相分離を引き起こし得る。同様に、ポリマーおよびナノ強化材の間の類似した表面エネルギーは、分散を促す。PETは、分子鎖にC=O結合が存在するためわずかに極性である。PETの表面エネルギーは、41.1mJ/m2である。グラフェンの表面エネルギーは、46.7mJ/m2で類似している。グラフェンは、PETより高く、疎水性であるが、グラフェンは酸化グラフェン(62.1mJ/m2)およびグラファイト(54.8mJ/m2)よりもさらに近くなる。これは、グラフェンを、PETにより適合性のナノ強化材として位置付けさせる。一般に、グラフェンは、個々のシートとして任意のポリマーマトリックス中に分散させることは困難と考えられる。これは、表面エネルギーを最小化するために凝集する傾向を示す。したがって、異なる混合技術により適用される外部エネルギーは、凝集の妨害、およびそれらをポリマーマトリックス中に分布させるのに必要である。先に言及されているように、PETは、高い溶融温度を有し、高度に粘性があるポリマーである。これにより、グラフェンナノプレートレットを分散させるために、二軸スクリューおよび超音波二軸スクリュー混合技術を選択するようになった。
PET−GNPナノコンポジットは、図31で実証されているようにヤング率の改善を示した。ナノコンポジットの係数のこの上昇は、PETからGNPへの有効な応力の伝達のために発生する。そのような剛性強化に対して、ポリマーおよび強化材の間での荷重伝達は、界面の強度により管理され、これは接着の熱力学的作業(Wα)に直接比例する。PETおよびグラフェンの間の接着エネルギーは、以下の等式(21)により84.6 mJ/m2と判定された。グラフェンの合計の表面エネルギーは、46.7 mJ/m2である。PET表面エネルギーの極性および非極性成分は、2.7mJ/m2および38.4mJ/m2と見出された。
Hui−Shia式に基づくマイクロ機械モデルは、Halpin−Tsaiと比較して、ほぼ予測されているナノコンポジットの性質を有する。はじめに、結晶性ドメインを非晶質マトリックス中の強化材相とみなすことにより、半結晶性ポリマーの性質をモデル化するために、これらが開発された。これらのマイクロ機械モデルは、マイクロコンポジットをモデル化するために後に適合された。上述のモデルの重要な仮定は:ポリマーおよび強化材の間の均一な界面、荷重方向における配向および強化材の均一なアスペクト比である。それにも関わらず、ナノコンポジット中に分散したナノプレートレットは、図62および63(b)で図示されているナノ断層撮影から観察されるように、荷重軸(すなわち、射出方向)に沿って完全に配向されていない。例えば、ナノコンポジット引張試験片において、GNP配向は、流れ応力のため、表面から200μmの深さまでしか目撃されず、また、引張チューブのケースでは、これはきわめて浅い(表面から15μmの深さ)。これは、ナノコンポジットのバルク核は、より無作為に配向されているナノプレートレットを有することを示す。射出成形速度および冷却速度の増加は、ナノプレートレットの配向を限定した。
油冷成形からのナノコンポジットの引張試験片は、およそ20%の結晶化度を呈した。冷却速度が速い高速射出成形システムを使用して、射出成形中に、PETの結晶化に関して制御しやすいナノコンポジット引張チューブが調製された。このプロセスにより、GNP重量分率が2%から0.5%のナノコンポジットが調製され、試験された。プロセス(水冷および油冷射出成形)の両方からの、図31および33で指し示されているGNPが2%のナノコンポジットの係数を比較すると、係数はプロセスの変化に応じて改善したことが示される。GNPが2%の引張チューブに対して、係数は、2.5GPa(PETの非晶質係数)から3.1GPa(引張試験片より7%高い)に増加した。別の重要な観察は、2%ナノコンポジットにおけるボイドの存在が、係数に対して効果をほとんど有していないことであった。一方、(加工からの)ボイドの存在は、早期の破壊および強度の減少を引き起こした。図40および41で示されている、ナノコンポジット破断面のSEM顕微鏡写真から観察されるように、ボイドは、応力集中点として作用し、破壊を引き起こした。GNP重量分率が低いナノコンポジット引張チューブの強度は、図33で示されているように最小限の増加を表した。
図38で提示されている二軸スクリュー配合および超音波配合から調製されるナノコンポジットの性質の比較は、最適な混合アプローチの識別に役立つ。係数に関しては、5μmおよび7.5μmの超音波振幅は、最大の改善を示したことが観察された。しかし、係数におけるこの改善は、二軸スクリューで配合された材料からのナノコンポジットと比較して、著しく異ならない。これは、超音波処理では、グラフェンナノプレートレットの分散を改善する利点が得られなかったことを指し示す。両方のプロセスからの5%グラフェンナノコンポジットペレットの分子量のデータは、図26で示されているように、PET平均分子量において類似した下落を指し示す。さらに、グラフェンの存在が、押出プロセスに由来する分子量の下落に拍車をかけることが観察されている。これは、グラフェンナノプレートレットの熱伝導性が高く、それにより、PETが迅速に加熱され、通常の加熱条件下で鎖の損傷が引き起こされるためであり得る。
in−situ重合したPETナノコンポジットは、グラフェンナノプレートレットの表面積が、PETの結晶化挙動の差の原因となり得ることを示唆する。ナノコンポジットの機械的性質に関して、それらの差は、結論を下せるほど顕著ではない。音波処理により分散されたナノプレートレットは、異なる寸法のプレートレットを含有し、利用できる平均表面積を変化させたナノプレートレットのアスペクト比を広範に分布させると考えられる。遠心分離による大きさの選択的アプローチの適用は、ナノプレートレット表面積の効果を理解する際に役立ち得る。
PETの機械的挙動は、結晶化度のタイプ:球状結晶化および延伸結晶化に左右される。PET結晶の係数は、共有結合の変形に基づいて146GPaと計算された。PETの性質の改善におけるアプローチの1つは、加工法から結晶化度を上昇させることである。二軸延伸により得られたPETフィルム試料は、45%結晶化度で5.4GPaを示す。これとナノコンポジットと比較すると、10%のGNP重量分率のみで係数は5.3GPaであった。剛性がPET結晶の5.5倍である強化材の場合、GNP添加による改善は、自己強化(延伸結晶化)PETのものと同等である。同一の二軸延伸された試料に関して、最大分子の配向に沿って試験された場合、方向は、約9.1GPa係数を示した。これは、ナノコンポジットの加工中にグラフェンナノプレートレットに配向を誘導して、性質をさらに改善できることを指し示している。
ポリ(エチレンテレフタレート)−グラフェンナノプレートレット(PET−GNP)ナノコンポジットは、射出成形により実証された。本明細書に記載されているように、PET−GNPナノコンポジットは、分散、機械的および熱的性質について評価された。したがって、PET−GNPナノコンポジットは、ヤング率において、0.5%のGNP重量分率での8%から、15%のGNP重量分率での224%の範囲の飛躍的な改善を示し、PETの強度に影響を与えない。グラフェンナノプレートレットを、2%を超える重量分率で添加すると、PETの破壊歪みに影響を与えることが見出された。さらに、用いられる特定の成形システムは、ナノコンポジットの最終的な性質に影響を与える際に、有意な役割を果たす。詳細には、高速射出成形により作られたナノコンポジットにより、相対的に改善した係数が得られる。
Claims (13)
- グラフェン強化ポリエチレンテレフタレートを調製する方法であって、
グラフェンナノプレートレットが分散しているポリエチレンテレフタレートを配合して、1つ以上のマスターバッチペレットを得るステップであって、40kHzで作用する超音波ホーンを装備した同方向回転二軸スクリューマイクロ超音波配合機を使用して、前記1つ以上のマスターバッチペレットが得られるように5%の重量分率でグラフェンナノプレートレットが分散しているポリエチレンテレフタレートを配合することで、前記ポリエチレンテレフタレートの靱性が向上する、ステップ;および
ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットのナノコンポジットを形成するステップであって、前記ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットのナノコンポジットが、0.5%から15%の範囲のグラフェンナノプレートレット重量分率を有する、ステップ
を含む、方法。 - 前記ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットのナノコンポジットが、射出成形プロセスを使用して調製される、請求項1に記載の方法。
- 前記同方向回転二軸スクリューマイクロ超音波配合機において、音響キャビテーションの結果として溶融温度を局所的に上昇させるように、超音波を前記ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットに付与する、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波が、5μmの超音波振幅を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記超音波が、7.5μmの超音波振幅を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記重量分率が、ヤング率の改善をもたらすが、前記ポリエチレンテレフタレートの強度には影響を与えない、請求項1に記載の方法。
- マスターバッチペレットを使用して形成されるポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットのナノコンポジットを含む射出成形組成物であって、前記マスターバッチペレットが、二軸スクリューおよび超音波配合技術の組合せを使用して溶融配合され、該溶融配合が、40kHzで作用する超音波ホーンを装備した同方向回転二軸スクリューマイクロ超音波配合機を使用して、前記マスターバッチペレットが得られるように5%の重量分率でグラフェンナノプレートレットが分散しているポリエチレンテレフタレートを配合することで、前記ポリエチレンテレフタレートの靱性が向上する、射出成形組成物。
- 前記ポリエチレンテレフタレートグラフェンナノプレートレットのナノコンポジットが、0.5%から15%の範囲のグラフェンナノプレートレット重量分率を有する、請求項7に記載の組成物。
- 前記ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットのナノコンポジットが、射出成形プロセスを使用して調製される、請求項7に記載の組成物。
- 前記同方向回転二軸スクリューマイクロ超音波配合機において、音響キャビテーションの結果として溶融温度を局所的に上昇させるように、超音波を前記ポリエチレンテレフタレート−グラフェンナノプレートレットに付与する、請求項7に記載の組成物。
- 前記超音波が、5μmの超音波振幅を含む、請求項10に記載の組成物。
- 前記超音波が、7.5μmの超音波振幅を含む、請求項10に記載の組成物。
- 前記重量分率が、ヤング率の改善をもたらすが、前記ポリエチレンテレフタレートの強度には影響を与えない、請求項10に記載の組成物。
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