olymer-based composites were herald

olymer-based composites were heralded in the 1960s as a new paradigm for materials. By dispersing strong, highly stiff fibres in a polymer matrix, high-performance lightweight composites could be developed and tailored to individual applications1. Today we stand at a similar threshold in the realm of polymer nanocomposites with the promise of strong, durable, multifunctional materials with low nanofiller content2–11. However, the cost of nanoparticles, their availability and the challenges that remain to achieve good dispersion pose significant obstacles to these goals. Here, we report the creation of polymer nanocomposites with functionalized graphene sheets, which overcome these obstacles and provide superb polymer–particle interactions. An unprecedented shift in glass transition temperature of over 40 88888C is obtained for poly(acrylonitrile) at 1 wt% functionalized graphene sheet, and with only 0.05 wt% functionalized graphene sheet in poly(methyl methacrylate) there is an improvement of nearly 30 88888C. Modulus, ultimate strength and thermal stability follow a similar trend, with values for functionalized graphene sheet– poly(methyl methacrylate) rivaling those for single-walled carbon nanotube–poly(methyl methacrylate) composites
Although traditional composite structures contain a significant quantity (60 vol%) of filler bound in a polymer matrix1, in nanocomposites dramatic changes in properties are possible at very low loadings (,2 vol%) of such nanofillers as exfoliated nanoclays7,11, graphite nanoplatelets4,5,10,12 and carbon nanotubes (CNTs)2,3,6. This performance is achieved, not only by using the inherent properties of the nanofiller, but more importantly by optimizing the dispersion, interface chemistry and nanoscale morphology to take advantage of the enormous surface area per unit volume that nanofillers have. Even at low volume fractions, the vast interfacial area created by well-dispersed nanoparticles can affect the behaviour of the surrounding polymer matrix for several radii of gyration13–16, creating a co-continuous network of dramatically altered polymer chains6,17, and fundamentally changing the thermal and mechanical properties of the matrix.
Changes in glass transition temperatures Tg are particularly important, not only because they yield insights into the fundamental changes in polymer chain dynamics, but also because the associated gains in thermal stability are critical for many applications. Ideally, polymer nanocomposites will provide materials that possess the ease of processing inherent to plastics, but with dramatically improved and even multifunctional properties, opening the way to completely new applications of polymers. Of the carbon-based nanofillers, CNTs have attracted considerable attention due to their intrinsic mechanical and electrical properties18,19. Improvements in modulus and strength of 30 and 15%, respectively, have been reported for 1 wt% loading of functionalized single-walled carbon nanotubes (SWNTs) in epoxy8, and electrical percolation was observed at loadings as low as 0.1 wt% (ref. 9). However, the use of CNTs in nanocomposites to date has been limited by challenges in processing and dispersion, and their prohibitively high cost. Expanded graphite (EG)4,10 produced by heating sulphuric acid-intercalated graphite has also been explored as a nanofiller in polymers. EG is composed of many graphene sheets held together by van der Waals forces in rigid nanoplatelets hundreds of nanometres thick (see Supplementary Information, Fig. S1b)20. These characteristics typically limit the performance of EG and its precursor as-received graphite (ARG) in composites4,5,10, as most of the graphene sheets in the stacks are not available to effectively interact with the host matrix. However, by using sonication to break EG apart into thinner graphitic nanoplatelets (GNPs) and high-speed shearing methods to disperse these platelets within a solution of poly(methyl methacrylate) (PMMA), we were recently able to obtain up to a 30 8C increase in Tg for PMMA at 1–5 wt% loading of the GNP nanofiller12.

Kết quả (Việt) 1:

olymer dựa trên vật liệu composite đã được báo trước trong thập niên 1960 như là một mô hình mới cho tài liệu. Bởi phân tán mạnh, rất cứng fibres trong một ma trận polyme, vật liệu composite nhẹ hiệu suất cao có thể được phát triển và phù hợp với cá nhân applications1. Hôm nay, chúng tôi đứng một ngưỡng tương tự như trong các lĩnh vực của polymer nanocomposites với những lời hứa của vật liệu mạnh mẽ, bền Bỉ, đa chức năng với nanofiller thấp content2-11. Tuy nhiên, chi phí của các hạt nano, sẵn có của họ và những thách thức mà vẫn đạt được sự phân tán tốt gây significant trở ngại đối với các mục tiêu này. Ở đây, chúng tôi báo cáo việc tạo ra các polyme nanocomposites với ngành graphene tờ, mà vượt qua những trở ngại và cung cấp tuyệt vời polymer-hạt tương tác. Một sự thay đổi chưa từng có trong thủy tinh quá trình chuyển đổi nhiệt độ hơn 40 88888C thu được cho poly(acrylonitrile) lúc 1 wt % ngành graphene tờ, và với chỉ 0,05 wt % tấm graphene ngành trong poly(methyl methacrylate) có một sự cải tiến của gần 30 88888C. Mô đun, cuối cùng sức mạnh và sự ổn định nhiệt theo một xu hướng tương tự, với các giá trị cho ngành graphene tờ-poly (methyl acrilic) rivaling cho đơn-tường carbon nanotube – poly(methyl methacrylate) vật liệu tổng hợpMặc dù cấu trúc hỗn hợp truyền thống có chứa một lượng significant (60 vol %) filler ràng buộc trong một polymer matrix1, trong nanocomposites những thay đổi đáng kể trong thuộc tính là có thể ở rất thấp khi (, 2 vol %) của các nanofillers như exfoliated nanoclays7, 11, graphite nanoplatelets4, 5, 10, 12 và carbon ống nano (CNTs) 2,3, 6. Hiệu suất này là đạt được, không chỉ bằng cách sử dụng các thuộc tính vốn có của nanofiller, nhưng quan trọng hơn bằng cách tối ưu phân tán, hóa giao diện và hình thái học Nano để tận dụng diện tích bề mặt rất lớn cho một đơn vị khối lượng nanofillers mà có. Ngay cả ở phần phân đoạn của khối lượng thấp, interfacial vùng rộng lớn, tạo ra bởi các hạt nano được phân tán có thể ảnh hưởng đến hành vi của ma trận polymer xung quanh cho một số bán kính của gyration13-16, tạo ra một mạng lưới liên tục co các thay đổi đáng kể polymer chains6, 17, và về cơ bản có thể thay đổi các tính chất nhiệt và cơ khí của ma trận.Changes in glass transition temperatures Tg are particularly important, not only because they yield insights into the fundamental changes in polymer chain dynamics, but also because the associated gains in thermal stability are critical for many applications. Ideally, polymer nanocomposites will provide materials that possess the ease of processing inherent to plastics, but with dramatically improved and even multifunctional properties, opening the way to completely new applications of polymers. Of the carbon-based nanofillers, CNTs have attracted considerable attention due to their intrinsic mechanical and electrical properties18,19. Improvements in modulus and strength of 30 and 15%, respectively, have been reported for 1 wt% loading of functionalized single-walled carbon nanotubes (SWNTs) in epoxy8, and electrical percolation was observed at loadings as low as 0.1 wt% (ref. 9). However, the use of CNTs in nanocomposites to date has been limited by challenges in processing and dispersion, and their prohibitively high cost. Expanded graphite (EG)4,10 produced by heating sulphuric acid-intercalated graphite has also been explored as a nanofiller in polymers. EG is composed of many graphene sheets held together by van der Waals forces in rigid nanoplatelets hundreds of nanometres thick (see Supplementary Information, Fig. S1b)20. These characteristics typically limit the performance of EG and its precursor as-received graphite (ARG) in composites4,5,10, as most of the graphene sheets in the stacks are not available to effectively interact with the host matrix. However, by using sonication to break EG apart into thinner graphitic nanoplatelets (GNPs) and high-speed shearing methods to disperse these platelets within a solution of poly(methyl methacrylate) (PMMA), we were recently able to obtain up to a 30 8C increase in Tg for PMMA at 1–5 wt% loading of the GNP nanofiller12.

Kết quả (Việt) 2:

composit olymer dựa trên đã được báo trước trong những năm 1960 như là một mô hình mới cho vật liệu. Bằng cách phân tán mạnh, bres fi rất gay gắt trong một ma trận polymer, hiệu suất cao vật liệu tổng hợp nhẹ có thể được phát triển và phù hợp với applications1 cá nhân. Hôm nay chúng ta đang đứng ở một ngưỡng tương tự như trong các lĩnh vực của polyme nanocompozit với lời hứa mạnh mẽ, bền, vật liệu đa chức năng với thấp nano fi ller content2-11. Tuy nhiên, chi phí của các hạt nano, tính sẵn có của họ và những thách thức mà còn để đạt được sự phân tán tốt trong yếu gây trở ngại fi không thể để những mục tiêu này. Ở đây, chúng tôi báo cáo việc tạo ra các polyme nanocompozit với tấm graphene chức hóa, mà vượt qua những chướng ngại vật và cung cấp tương tác polymer hạt tuyệt vời. Một sự thay đổi chưa từng có trong nhiệt độ chuyển thủy tinh của hơn 40 88888C thu được cho poly (acrylonitrile) tại 1% trọng lượng tấm graphene chức hóa, và chỉ có 0,05% chức hóa tấm graphene trong poly (methyl methacrylate) có một sự cải thiện gần 30 88888C. Modulus, sức mạnh tối thượng và ổn định nhiệt theo một xu hướng tương tự, với các giá trị cho chức hóa graphene sheet- poly (methyl methacrylate) sánh với những carbon đơn vách ống nano-poly (methyl methacrylate) composites
Mặc dù kết cấu composite truyền thống chứa một lượng trọng yếu (? 60 vol%) của fi ller bị ràng buộc trong một matrix1 polymer, trong nanocomposites thay đổi đáng kể trong các tài sản sẽ có thể ở tải trọng rất thấp (2 vol%) của nano như Llers fi như nanoclays7,11 tẩy, graphite nanoplatelets4,5,10,12 và ống nano carbon ( CNT) 2,3,6. Hiệu suất này là đạt được, không chỉ bằng cách sử dụng các thuộc tính vốn có của nano fi ller, nhưng quan trọng hơn bằng cách tối ưu phân tán, giao diện hóa học và nano hình thái để tận dụng diện tích bề mặt rất lớn cho mỗi đơn vị thể tích mà Llers nano fi có. Ngay cả ở các phần phân đoạn khối lượng thấp, diện tích bề rộng lớn được tạo ra bởi các hạt nano cũng tan có thể ảnh hưởng đến hành vi của các ma trận polymer xung quanh trong nhiều bán kính của gyration13-16, tạo ra một mạng lưới hợp liên tục của chains6,17 polymer thay đổi đáng kể, và thay đổi cơ bản các tính chất nhiệt và cơ học của ma trận.
những thay đổi về nhiệt độ chuyển thủy tinh Tg là đặc biệt quan trọng, không chỉ vì họ mang lại kiến thức vào những thay đổi cơ bản trong động mạch polyme, mà còn vì lợi ích liên quan trong sự ổn định nhiệt rất quan trọng cho nhiều ứng dụng. Lý tưởng nhất, polyme nanocompozit sẽ cung cấp những vật liệu có dễ chế biến vốn có cho chất dẻo, nhưng với đặc tính được cải thiện đáng kể và thậm chí đa chức năng, mở đường để hoàn toàn các ứng dụng mới của polyme. Trong Llers nano fi dựa trên carbon, CNT đã thu hút được sự chú ý đáng kể do properties18,19 cơ khí và điện nội tại của họ. Những cải tiến trong mô đun và sức mạnh của 30 và 15%, tương ứng, đã được báo cáo cho 1% trọng tải của ống nano carbon đơn vách chức năng hóa (SWNTs) trong epoxy8, và thấm điện đã được quan sát thấy ở tải trọng thấp nhất là 0,1% trọng lượng (ref. 9). Tuy nhiên, việc sử dụng CNT trong nanocomposites đến nay đã được giới hạn bởi những thách thức trong chế biến và phân tán, và chi phí quá cao của họ. Graphite mở rộng (EG) 4,10 được sản xuất bằng cách nung nóng sulfuric than chì axit-xen cũng đã được khám phá như một ller nano fi trong polyme. EG gồm nhiều tấm graphene với nhau bởi van der Waals trong nanoplatelets cứng nhắc hàng trăm nanomet dày (xem thông tin bổ sung, hình. S1b) 20. Những đặc điểm này thường giới hạn hiệu suất của EG và tiền thân của nó là đón nhận graphite (ARG) trong composites4,5,10, như hầu hết các tấm graphene trong ngăn xếp không có sẵn để tương tác hiệu quả với các ma trận chủ. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng sonication để phá vỡ EG ngoài vào nanoplatelets mỏng graphitic (GNPs) và phương pháp cắt tốc độ cao để giải tán các tiểu cầu trong một giải pháp của poly (methyl methacrylate) (PMMA), gần đây chúng tôi có thể có được lên đến 30 8C tăng trong Tg cho PMMA ở 1-5% trọng lượng tải của GNP nano fi ller12.